端板连接梁柱节点钢框架抗连续倒塌性能研究

发布时间：2020-05-12 08:20

【摘要】：端板连接节点是目前钢结构工程中应用最为广泛的节点形式之一,因其构造形式简单、易加工成型、标准化生产、施工便宜等优势而备受工程师和研究者的青睐,对其受力特性的研究亦不计其数。本文通过对端板连接节点进行有限元数值模拟分析,研究其节点刚度及其影响因素,分析表明节点刚度对结构的静力分析和动力分析呈现非线性影响。尤其是在偶然荷载作用下,当框架柱突然失效退出工作时,结构将产生较大的动力响应,端板连接节点对钢框架的抗连续倒塌性能影响很大,在柱失效后节点产生较大变形耗散能量,提高结构的延性,增强结构的抗连续倒塌能力。本文主要研究内容包括:(1)对端板连接梁柱节点进行有限元数值模拟分析,研究其在单向加载时的弯矩转角关系曲线和在循环加载作用下的滞回性能,分析结果与Eurocode 3的理论方法计算结果吻合较好,同时对端板加劲肋、螺栓直径、端板厚度以及柱腹板加劲肋等影响节点性能的因素进行有限元数值模拟对比分析,分析表明柱腹板加劲肋能显著提高节点的刚度,缓解节点的应力集中现象。此外分析表明端板连接节点具有较好的滞回性能,因此对于有抗震要求的结构,节点形式建议采用带有端板加劲肋和柱腹板加劲肋的端板连接节点。(2)分别对刚性连接和端板连接平面钢框架的抗连续倒塌性能进行有限元数值模拟对比分析,分析表明端板连接对钢框架结构的抗连续倒塌分析有较大影响。端板连接能降低梁的端弯矩,增大梁的跨中弯矩和边柱的轴力,结构的内力和动力特性都与节点刚度呈现非线性变化关系。同时分析表明,节点在构件失效时产生较大的变形,满足“强节点弱构件”的延性原则,提高结构的抗连续倒塌能力,因此在设计中应充分考虑端板连接节点的半刚性特性。(3)对影响端板连接钢框架结构抗连续倒塌性能的构件失效时间、失效位置以及支撑的设置等影响因素进行有限元数值模拟对比分析,分析表明将构件失效时间取剩余结构第一周期的1/10是合理且保守的,边柱和角柱的破坏引起结构的动力响应较大,而支撑能有效地提高结构的抗连续倒塌性能。(4)运用拆除构件法分别撤除8根柱,对某物流批发市场三层端板连接钢框架进行抗连续倒塌分析,分析表明结构在撤除构件后均易发生连续倒塌。采用支撑对结构进行加固提高结构的抗连续倒塌能力。
【图文】：

整体模型,节点,三维整体模型

图 2.12 节点的详接触问题[15]从数值计算上来讲是极其不连续时产生接触约束，接触面一旦分离，约束就会失基于面（Surface-based）的接触和基于接触单元（面的接触常用于通用接触算法或接触对算法，通单个接触定义中包含多个接触区域，而接触对算域。由于实际接触实体不能相互穿透，故必须强文的分析中均采用基于面的接触，有利于计算分采用软件 ABAQUS 的 Standard 分析模块进行分实体单元模拟节点的梁柱、高强螺栓、端板及接触采用罚函数，材料各向同性，摩擦系数取0.30材料为理想弹塑性，钢材的弹性模量取 2.110M5 节点三维整体模型如图 2.13 所示。

应力图,螺栓,预紧力,应力图

螺栓强度等级 3.6 4.6 4.8 5.6 5.8 6.8 8.8 9.8 10.9 12.9σ0N/ mm2180 240 300 320 400 480 640 720 900 1080表 2.2 螺栓公称直径和公称应力截面积的对应关系螺栓公称直径 d/mm 3 3.5 4 5 6 7 8 10 12公称应力截面积 As/ mm25.03 6.78 8.78 14.2 20.1 28.9 36.6 58 84.3螺栓公称直径 d/mm 16 18 20 22 24 27 30 33 36公称应力截面积 As/ mm2157 192 245 303 353 459 561 694 817本章分析模型中，10.9 级 M20 螺栓预紧力 0.6900245132300N0P ，取135000N0P ；10.9 级 M22 螺栓预紧力 0.6900303163620N0P ，取 165000N0P 。先在 Step-1 中施加螺栓预紧力，并在之后的分析步中选择固定为当前长度，M20 螺栓达到预设预紧力后的应力图如图 2.14 所示。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU391

【参考文献】