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轻钢结构端板连接节点性能研究

作　者: 柴宏
导　师: 王秀丽
学　校: 兰州理工大学
专　业: 结构工程
关键词: 节点半刚性连接端板连接门式刚架有限元分析变形滞回性能
分类号: TU392.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
下　载: 249次
引　用: 3次
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内容摘要

随着经济的发展,我国钢材产量和质量的提高,门式刚架轻钢结构建筑的应用越来越普遍。但目前端板连接的转动计算理论上尚未有成熟的方法,有关的规范、规程对节点的规定主要是传统的设计方法,它对节点的简化和假设不能充分反映端板连接节点的受力性能。通常在设计的过程中很少注意端板刚结节点的转动。由于梁～柱、梁～梁的端板连接节点的转动,减少了梁对柱的约束,增加了门式刚架柱的计算长度和梁的挠度,对结构体系是不利的,是值得研究的。这于是引发了研究者们对端板连接节点的变形性能与它对结构产生的影响做更深入的探讨。根据已有的文献资料可以看出,外伸式有加劲肋的端板连接节点的突出优点在于其良好的受力性能、稳定的滞回性能、良好的耗能能力以及便于施工等优点,有很好的推广价值。本文首先从能量法的角度出发,选取典型板块推导端板厚度的设计公式。接着又探讨了端板连接节点半刚性及其对门式刚架内力和变形的影响。得出的结论是,节点半刚性对刚架的位移和内力有较大影响。当节点转动刚度较大时,门式刚架按节点理想刚性设计是可行的,但当节点的转动刚度较小时仍按理想刚性对待可能会导致结构的不安全,因此建议设计时应尽量增大节点的刚性。接着用有限元方法,考虑材料非线性建立ansys接触单元,同时给高强螺栓施加预应力,建立五个节点模型做静力分析,发现了节点域腹板和柱端板下沿是外伸式有加劲肋端板连接节点受力和变形的薄弱部位,这两处的Mises应力远远超出其他部位的应力,数据显示,节点域的转角位移占整个节点位移的60-80%。若通过构造措施,加设节点域斜向加劲肋并延长柱端板,可将节点的转角缩小为原来的30-50%。同时节点的应力分布也得到改善。在第四部分,就不同尺寸或不同构造的五个节点,进行了滞回分析,探讨其性能。结果发现,外伸式有加劲肋的端板连接节点,改善构造后,有着较好的线性初始刚度,这为正常使用极限状态的抗变形设计提供了很好的可预见性。另外,这种节点在更大的荷载作用下也具有很好的延性,说明其抗震性能也不错。可见这种改善构造的外伸式有加劲肋的端板连接节点既有很稳定的初始刚度,又保留了端板连接节点的良好耗能能力。另外从应力曲线发现,端板的受拉部分和受压部分都处在较大的应力状态,设计应该同时对受拉和承压部分做演算。在第五章里,将端板连接节点的研究结论应用于实际工程项目中,分析对比节点受力、变形的合理性,这为钢材的合理应用提供了借鉴依据。最后,提出一些对工程设计具有一定的参考价值的结论与建议,同时也为进一步的研究该种节点的连接性能打下了基础。

全文目录

第一章绪论  8-18
  1．1 选题意义  8-12
    1．1．1 课题来源  8
    1．1．2 选题背景  8-10
    1．1．3 课题意义  10-12
      1．1．3．1 节点形式介绍  10-11
      1．1．3．2 问题的提出：  11
      1．1．3．3 目的和意义：  11-12
  1．2 国内外研究现状及动态：  12-16
    1．2．1 各国规范  12-14
      1．2．1．1 我国轻钢规程设计方法：  12
      1．2．1．2 英国规范：  12-13
      1．2．1．3 欧洲规范：  13
      1．2．1．4 美国规范：  13-14
    1．2．2 国内半刚性钢节点的研究概况  14-15
    1．2．3 国外研究现状  15
    1．2．4 目前需待解决的问题  15-16
  1．3 本文研究目的、意义、应用前景及研究方案  16-17
  1．4 本文的主要内容及安排  17-18
第二章端板节点设计方法  18-29
  2．1 端板节点的受力性能  18-19
    2．1．1 端板连接的两种形式  18
    2．1．2 两种端板连接的受力性能比较  18-19
  2．2 端板厚度设计  19-24
    2．2．1 板的屈曲  19-20
    2．2．2 能量法进行端板设计  20-22
    2．2．3 规程设计方法  22-24
  2．3 端板连接节点半刚性及其对门式刚架内力和变形的影响  24-29
    2．3．1 M—θ曲线的模型函数  25-26
    2．3．2 节点半刚性对门式刚架内力和变形的影响  26-29
      2．3．2．1 刚接与半刚接的比较  26-28
      2．3．2．2 结论  28-29
第三章 ANSYS有限元概述及静力分析  29-40
  3．1 有限元概述  29-35
    3．1．1 本文采用的单元类型介绍  29
    3．1．2 ANSYS非线性结构分析  29-31
      3．1．2．1 材料非线性  30
      3．1．2．2 几何非线性  30-31
    3．1．3 典型有限元分析步骤  31-32
    3．1．4 钢材本构模型的选取  32-33
    3．1．5 节点模型建立的几个关键问题  33-35
      3．1．5．1 接触分析  33
      3．1．5．2 螺栓预拉力的模拟  33-34
      3．1．5．3 求解器的选择  34
      3．1．5．4 对称性的应用  34-35
  3．2 静力分析  35-40
    3．2．1 节点计算模型建立  35-36
    3．2．2 计算结果与分析  36-38
      3．2．2．1 最大位移和最大等效应力  36-37
      3．2．2．2 节点转角及刚度  37-38
      3．2．2．3 节点刚性判断  38
    3．2．3 结论  38-40
第四章典型节点滞回分析  40-68
  4．1 模型建立  40-42
  4．2 有限元分析内容及加载制度  42-43
  4．3 应力曲线分析  43-59
    4．3．1 节点M2有限元分析  43-51
      4．3．1．1 上顶板和梁上翼缘长度方向应力分布  43-44
      4．3．1．2．下水平加劲肋和梁下翼缘长度方向应力分布  44-45
      4．3．1．3 柱左翼缘应力分布  45-47
      4．3．1．4 柱端板应力分布  47-48
      4．3．1．5 梁端板应力分布  48-50
      4．3．1．6 节点域腹板区应力分布  50-51
    4．3．2 节点M3节点域腹板有限元分析  51-52
    4．3．3 节点M4有限元分析  52-55
      4．3．3．1 模型M3的柱端板应力  53-54
      4．3．3．2 模型M4柱端板应力  54-55
    4．3．4 节点M5有限元分析  55-58
      4．3．4．1 柱端板应力分布  55-57
      4．3．4．2 梁端板应力分布  57-58
    4．3．5 小结  58-59
  4．4 滞回曲线分析  59-68
    4．4．1 加载方法  59
    4．4．2 滞回曲线  59-64
    4．4．3 初始刚度  64
    4．4．4 骨架曲线  64-66
    4．4．5 刚度退化  66-67
    4．4．6 滞回分析小结  67-68
第五章工程应用  68-75
  5．1 项目说明  68
  5．2 Ansys分析  68-75
    5．2．1 初步设计节点分析  69-72
      5．2．1．1 模型建立  69
      5．2．1．2 材料模型  69-70
      5．2．1．3 分析结果  70-71
      5．2．1．4 变形  71
      5．2．1．5 结论  71-72
    5．2．2 改进的节点分析  72-75
      5．2．2．1 节点模型  72-73
      5．2．2．2．分析结果  73
      5．2．2．3 结论  73-75
第六章结论与展望  75-77
  6．1．主要结论和建议  75-76
  6．2 有待于进一步研究问题  76-77
参考文献  77-81
致谢  81-82
攻读研究生期间所发表的论文  82
攻读研究生期间参与的科研工作  82

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