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火灾下不同拉剪组合对螺栓节点性能影响的研究

作　者: 高义奇
导　师: 施刚
学　校: 清华大学
专　业: 土木工程
关键词: 螺栓节点火灾试验有限元模拟组件模型
分类号: TU352.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

节点是结构受力的关键部位，梁和柱的内力通过节点传递，节点的破坏甚至可能引发结构的连续性倒塌，因此分析节点真实受力行为对于考察结构的安全性尤为重要。常温下节点变形较小，承受的荷载组合相对简单和固定，多考虑其承受剪力或弯矩作用的行为。火灾中节点的承载力随着温度的升高而降低，高温下的大变形导致梁沿轴向产生悬链拉力作用。此时，一方面节点要有足够的转动能力以容纳梁的变形，另一方面节点的受力状态发生明显改变，节点应具有足够的抗拉能力，否则会在拉剪共同作用下发生破坏。然而，目前国内外有关节点高温研究的内容主要还是遵循节点常温研究的思路，即通过试验或有限元方法得到独立节点的弯矩-转角关系，对于火灾中节点的真实受力及节点与构件间的相互作用缺少考虑。因此，有必要开展节点在拉、弯、剪综合荷载作用下的真实火灾行为的研究。本文主要研究内容包括：(1)采用自定义双线性炉温控制曲线，进行了端板式螺栓连接及腹板双角钢式螺栓连接两种不同形式节点的火灾试验，以端板厚度、火灾荷载组合为主要参数，研究了高温下钢结构节点的温度分布、破坏模态、承载力、变形及拉剪组合作用对节点承载力的影响等。(2)建立了节点的三维实体分析模型，模型中考虑了材料非线性、节点大变形及节点各组件间的接触关系对节点性能的影响。并采用试验结果对有限元模型进行了验证分析，结果表明有限元方法可以准确地模拟出节点受力及变形，同时可以方便地得到节点整个破坏过程。接着，通过大量的节点荷载组合参数分析，研究了节点在拉剪组合作用下的破坏机制及剪力对节点抗拉承载力的影响，得到了节点在拉剪组合作用下对应不同极限温度的相关破坏曲线。(3)基于组件法建立了平齐式端板节点的简化分析模型，并利用试验及三维有限元分析的结果对模型进行验证。所建立的模型通过螺栓抗拉强度的折减考虑了剪力对螺栓承载力的影响，因此可以方便地得到节点在同时承受拉、剪、弯的综合荷载作用时的性能。通过一系列的参数分析，进一步得到了剪力及拉力对节点火灾行为的影响，并为钢结构节点高温设计提出设计建议。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-6
目录  6-9
第1章绪论  9-23
  1.1 研究背景  9-12
  1.2 课题研究现状  12-21
    1.2.1 节点高温试验研究  12-14
    1.2.2 节点高温有限元分析  14-15
    1.2.3 组件模型在节点分析中的应用  15-18
    1.2.4 结构连续性对节点受力的影响  18-20
    1.2.5 现有研究的不足  20-21
  1.3 论文研究内容  21-23
第2章节点高温试验研究  23-45
  2.1 试验方案  23-27
    2.1.1 试验炉  23
    2.1.2 试验设计  23-25
    2.1.3 测量布置  25-27
  2.2 材性试验  27-29
    2.2.1 钢材  27-29
    2.2.2 螺栓  29
  2.3 试验流程  29-31
  2.4 温度测量结果  31-38
    2.4.1 炉温  31-32
    2.4.2 试件温度  32-37
    2.4.3 小结  37-38
  2.5 节点变形观测  38-43
    2.5.1 整体变形  38-41
    2.5.2 节点残余变形  41-42
    2.5.3 柱的变形  42-43
  2.6 本章小结  43-45
第3章节点试验有限元模拟  45-58
  3.1 有限元模型  45-48
    3.1.1 模型及网格  45-46
    3.1.2 荷载及边界  46-47
    3.1.3 接触定义  47-48
  3.2 材料本构  48-51
    3.2.1 普通结构钢  48-50
    3.2.2 高强度螺栓  50-51
  3.3 求解器  51-52
  3.4 结果及分析  52-57
    3.4.1 节点温差影响  52-53
    3.4.2 试验结果验证  53-55
    3.4.3 节点破坏分析  55-57
  3.5 本章小结  57-58
第4章节点拉剪相关承载力  58-68
  4.1 有限元模型  58-59
  4.2 荷载及温度  59
  4.3 结果及分析  59-64
    4.3.1 不同荷载下的节点变形  59-60
    4.3.2 节点拉剪相关承载力曲线  60-62
    4.3.3 节点破坏模式分析  62-63
    4.3.4 剪力分配关系  63-64
  4.4 螺栓拉剪分析  64-67
    4.4.1 分析模型  64-65
    4.4.2 单螺栓拉剪相关曲线  65-66
    4.4.3 相关承载力曲线验证  66-67
  4.5 本章小结  67-68
第5章节点组件模型  68-85
  5.1 建立模型  68-72
    5.1.1 Yu 的屈服线模型  68-70
    5.1.2 建立节点组件模型  70-72
  5.2 弹簧特性  72-76
    5.2.1 三折线材料模型  72-74
    5.2.2 弹簧特性计算  74-75
    5.2.3 剪力对 T-stub 组件的影响  75-76
  5.3 模型验证  76-79
  5.4 综合荷载作用  79-83
    5.4.1 拉、弯恒定剪力影响分析  79-81
    5.4.2 弯、剪恒定拉力影响分析  81-83
  5.5 本章小结  83-85
第6章结论与展望  85-88
  6.1 本文主要结论  85-86
  6.2 研究不足与展望  86-88
参考文献  88-93
致谢  93-95
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  95

火灾下不同拉剪组合对螺栓节点性能影响的研究

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