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钢框架梁柱弱轴半刚性连接性能研究

李文岭  
【摘要】: 随着分析方法和计算手段的不断提高,可以对结构作为一个整体进行精确的非线性分析,完善地考虑结构的二阶效应及其它非线性因素的影响,这种建筑结构分析方法称为高级分析方法。用高级分析方法设计钢框架时,通常不需要进行单个构件验算。这种综合性的分析方法简化了设计过程,使工程设计人员能够了解结构在不同荷载水平下的性能和其破坏模式。目前,高级分析方法针对平面钢框架的分析相对成熟,针对空间钢框架的整体分析仍待发展。 由于梁柱连接是钢框架的重要组成部分,其性能影响结构的整体性能,因此钢框架结构的高级分析应当考虑梁柱连接的性能,包括各类弱轴连接的非线性特性。作为课题《三维空间钢结构高级分析理论》的一部分,本文研究钢框架梁柱弱轴半刚性连接的抗弯性能,为课题的有限元分析程序编制提供支持。 本文用试验、力学理论分析和有限元分析三种方法对钢框架梁柱弱轴顶底角钢连接的抗弯性能作了研究,主要工作包括: 1.进行了三种类型的梁柱弱轴角钢连接共9个试件的单调加载试验,其中两类试验试件采用本文根据梁柱弱轴连接节点受力变形特点设计的新型连接形式。根据试验结果分析了试验试件的应力发展、变形特点和连接的弯矩—转角特性等抗弯性能。 2.根据经典力学理论,推导了弱轴顶底角钢连接初始刚度、塑性刚度、塑性极限弯矩的计算方法,填补了钢框架梁柱弱轴顶底角钢连接分析的空白。 3.根据本文的理论计算结果,使用三参数幂函数和指数函数两种数学模型模拟了钢框架梁柱弱轴顶底角钢连接的弯矩—转角曲线,理论分析得出的数学模型和试验结果吻合较好。 4.建立了考虑大变形的几何非线性、材料非线性和高强螺栓接触非线性的有限元分析模型,利用非线性有限元程序考察了连接的应力分布和变形特点,并对所研究连接作了参数化分析,研究了不同参数对连接性能的影响以及连接转动中心的位置、连接组件之间的接触摩擦状态等连接特性。 综合试验、理论分析和有限元分析的结果,本文的研究主要得到以下结论: 1.梁柱弱轴连接的刚度和承载力与连接组件的变形和破坏模式密切相关。组件变形和破坏模式的改变可能使连接的抗弯刚度和承载力发生较大变化。 2.梁柱弱轴角钢连接的刚度和承载力取决于各组件的刚度和承载力,角钢、螺栓和与角钢竖向肢连接的板件起决定作用,其中刚度最小的组件其几何尺寸对连接刚度的影响最明显,塑性机构承载力最低的组件则决定了连接的塑性极限承载力。与梁柱强轴连接不同的是,角钢竖向肢连接的板件比较薄弱时其影响也比较大,因此弱轴半刚性连接应当计算角钢竖向肢连接板件的刚度和承载力。 3.有限元参数分析表明,在影响角钢连接刚度和承载力的诸多因素中,角钢的厚度、梁的高度、螺栓的位置和柱腹板(或本文新型连接的T形件翼缘)的宽厚比、螺栓直径和预拉力大小影响较明显,其中角钢厚度影响最大。 4.弱轴顶底角钢连接作为一种典型的半刚性连接,具备良好的变形能力、一定的弯矩承载能力和钢材屈服后的塑性强化能力。单向荷载作用下试验试件的梁柱相对转角最终都超过了0.085rad。试验中连接抗弯承载力最大的达到了所连接梁塑性极限弯矩的40%以上。 5.顶底角钢连接的接触状态在承载初期非常稳定,不会因连接组件之间相对滑移造成连接刚度和承载能力的大幅降低。在静载作用下,仅在角钢形成塑性机构后的材料强化阶段出现了接触状态的突变(即摩擦面间的相对滑动),但并不影响连接的极限承载能力。工程设计中对设计荷载作用下连接的计算不必考虑接触状态改变的影响。 6.利用顶角钢三塑性铰模型分析计算连接的刚度和承载力更符合角钢连接的真实塑性变形特点。连接的转动中心位于受压角钢(即通常的底角钢)水平肢的螺栓固定处。


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