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半刚接空间钢框架动力特性分析的试验和数值方法研究

李建平  
【摘要】:对钢框架结构进行分析设计时,目前我国通常将梁柱节点连接假设为完全刚接或理想铰接,以方便计算。然而实际工程中连结节点的性能是介于两者之间的,即为半刚性连接节点的范畴。大量的研究表明,节点连接的半刚性不仅对结构基本受力性能有较大影响,而且对结构动力性能的影响也不容忽视。研究也表明,空间框架作为平面框架进行动力特性分析时,结构自振频率及振型均表现出不一致的变化规律。本文基于样条QR法,考虑剪切变形及二阶效应的影响,建立半刚性空间钢框架结构的动力特性分析模型,同时进行半刚性框架结构的动力特性试验。主要研究内容如下:1.基于三次B样条函数,建立了平面和空间刚性连接框架结构考虑剪切变形、二阶效应的样条QR法静力分析和动力特性分析模型,编制MATLAB程序。通过算例验证了本文所建立模型的正确性和可靠性;对比分析了钢框架结构空间与平面模型动力特性分析的异同点。结果表明,空间模型求解的各阶自振频率包括简化的平面模型所求,结构在主平面内的低阶自振频率可以通过简化的平面模型求得,且与空间模型的计算结果接近,但是对于主平面内的高阶频率,平面与空间模型的计算误差较大;此外,以对角、扭转振型为主的结构自振频率是平面模型无法求得的。2.进行了半刚性连接钢框架动力特性试验。研究半刚性节点设置在不同楼层时,以及二阶效应对结构动力特性的影响。结果表明,半刚性节点使结构自振频率降低;半刚性节点设置在不同楼层对结构自振频率的影响不同;半刚性节点对结构自振频率的影响随框架层数的增加而增大;二阶效应对结构自振频率的影响随配重增大而越明显。3.建立了考虑剪切变形和二阶效应的半刚性连接空间钢框架结构的动力特性分析模型,并用本文程序对第三章的半刚性连接整体钢框架动力特性试验结果进行数值模拟和扩展研究,二者结果吻合;进行参数分析,探讨了钢框架结构节点半刚性、楼层层数、剪切变形和二阶效应等参数对结构动力特性的影响。结果表明,节点的初始刚度对结构低阶自振周期的影响较大;随着楼层数增多,半刚性对结构自振周期的影响越显著;剪切变形对结构低阶自振周期的影响较小,而对高阶自振周期的影响较大;二阶效应使结构自振频率降低。本文的研究方法及相关试验和数值分析成果,为进一步开展空间框架结构动力问题及其振动控制问题研究提供了一定的参考依据。


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