受冲击钢框架结构梁—柱连接性能的实验与数值分析

发布时间：2017-07-18 05:11

  本文关键词：受冲击钢框架结构梁—柱连接性能的实验与数值分析

  更多相关文章： 钢框架 梁-柱连接 冲击荷载 数值模拟 冲击力时程曲线 动弯矩-转角曲线 能量转化比 T型件 工作协调性

【摘要】：梁-柱节点作为钢框架中一个重要的组成部分,对整个结构的力学性能有着十分重要的作用,节点一旦发生破坏可能会导致整个建筑物发生坍塌,造成不可估量的损失。国内外学者对于钢框架梁柱节点的研究已经很多,这些研究主要集中在静力范围内,然而,我们生活中的各种建筑物正日益受到各种极端动荷载的影响,如爆炸、高空坠物等等,这些极。端荷载对于结构的影响与静力荷载条件下的结构行为是不同的。另一方面,目前对于钢框架梁-柱节点冲击力学性能的研究少之又少,国内规范对承受冲击荷载等动荷载的钢结构设计也尚无相关的规定,因此对钢框架梁-柱节点的抗冲击性能进行深入的分析和研究显得尤为重要。本文国内首次对钢框架梁柱连接进行抗冲击性能实验研究,考察了两种冲击能和三种梁柱连接形式对钢框架抗冲击性能的影响,同时结合有限元数值模拟的方法对这一问题进行深入探索。此后,参考文献[40]中T型件实验数据建模,对螺栓端板工作协调性进行初步探讨,主要开展以下几个方面的工作：(1)首先结合《钢结构设计规范》和数值模拟技术设计了钢框架构件,利用高性能冲击实验台进行冲击实验,测量钢框架横梁竖向、侧向位移及截面内力,并用高速摄像机捕捉冲击过程各瞬时连接行为特征,分析了连接破坏模式。研究表明外伸式端板螺栓连接钢框架螺栓在拉力作用下呈延性破坏,断面纤维状,而平齐式连接钢框架螺栓在巨大剪力作用下发生典型脆性断裂,断面平齐光滑。(2)运用非线性有限元程序ABAQUS/Explicit建立钢框架梁-柱连接数值分析模型,详细介绍了有限元建模过程的各项技术细节,如单元的选择、材料模型以及接触对的定义,并对冲击实验过程中钢框架的动力响应进行数值分析。通过伪应变能与系统内能的比值以及数值计算结果与冲击实验结果的对比证明了模型计算结果的正确性。(3)分析了冲击过程的冲击力时程曲线、动弯矩-转角曲线和冲击力-跨中位移曲线等特征量。通过比较可以看出,钢框架在冲击荷载作用下的响应可以根据冲击力时程曲线划分为三个阶段：撞击阶段,稳定阶段和反弹阶段。在撞击阶段(包括了各特征量的第一、二峰值),钢框架所受的冲击力、节点弯矩迅速增大至峰值,相对应的位移和转角也迅速增大：稳定阶段是转角、位移发展的主要阶段,也是冲击力做功和节点耗能的主要阶段；由于钢材的延性性能,当落锤离开后,弹性变形部分恢复,此即为反弹阶段。(4)从能量转化角度分析了不同连接形式的钢框架的抗冲击性能,提出了能量转化比(ET)的概念,用以表征钢结构吸收冲击能量的能力,其值为钢框架塑性发展所耗散的能量与系统初始动能的比值,此后分析了结构各组成部分对结构吸收冲击能的贡献。(5)参考文献[40]中T型件实验数据,利用ABAQUS/Implicit进行数值建模,通过与实验结果的对比验证模型的正确性,分析了极限状态承载力以及延性性能。结果表明：①钢框架的能量转化比与节点形式无关。对于不同的梁柱连接形式的框架,当初始动能相同时,尽管各组成部分吸收冲击能有所差别,但是整体来说基本相同。②平齐式连接由于对梁端的约束较差,因此梁的塑性发展更为深入,能量转化比更大,其次为外伸式连接钢框架的横梁能量转化比和全焊接连接钢框架横梁能量转化比；半刚性连接中柱的塑性发展基本可以忽略不计,而在刚性连接钢框架中,柱的能量转化比较大,约为整体的1/5,塑性变形发展也更加深入,这与实验中框架变形相吻合。③当初始动能一定时,钢框架将会吸收相同的冲击能并将其转化为自身塑性变形；当系统的初始动能不同时,初始动能越大,其能量转化比越大。同时,对于端板和螺栓二者来说,当撞击物初始动能较小时,连接处以端板受力塑性变形为主,而当撞击物动能较大时,连接处以螺栓群的塑性发展为主。④梁作为主要的耗能元件,当梁柱连接形式相同时,其能量转化比可以近似取为恒值。
【关键词】：钢框架 梁-柱连接 冲击荷载 数值模拟 冲击力时程曲线 动弯矩-转角曲线 能量转化比 T型件 工作协调性
【学位授予单位】：山东建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU391
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 研究背景和研究意义11-13
• 1.2 钢结构梁.柱连接的分类13-15
• 1.3 梁-柱连接国内外研究进展15-20
• 1.3.1 钢材动力力学性能研究15-18
• 1.3.2 静载下梁-柱连接研究18-19
• 1.3.3 动荷载下螺栓连接的研究19-20
• 1.4 本文主要研究内容、研究方法20-21
• 第二章 钢框架在冲击荷载下结构响应的实验研究21-36
• 2.1 构件设计与分组21-23
• 2.2 材料实验23-24
• 2.3 冲击实验装置和测量仪器24-27
• 2.3.1 固定支座的设计24
• 2.3.2 落锤冲击实验系统24-25
• 2.3.3 实验测试仪器和测试方法25-27
• 2.4 实验流程及实验方法27-28
• 2.5 实验结果和分析28-35
• 2.5.1 残余变形28-33
• 2.5.2 应变时程曲线33-34
• 2.5.3 构件抗冲击性能分析34-35
• 2.6 本章小结35-36
• 第三章 钢框架落锤撞击实验的数值模拟36-48
• 3.1 有限元基本理论及ABAQUS软件介绍36-37
• 3.1.1 有限元法求解的基本步骤36
• 3.1.2 有限元软件ABAQUS的简单介绍36-37
• 3.2 有限元模型的建立37-42
• 3.2.1 模型简化37-38
• 3.2.2 单元类型38-39
• 3.2.3 材料模型39-41
• 3.2.4 接触关系41-42
• 3.3 冲击实验数值计算可靠性验证42-47
• 3.3.1 伪应变能对数值计算的影响42-43
• 3.3.2 数值计算与实验结果的对比分析43-47
• 3.4 本章小结47-48
• 第四章 钢框架冲击荷载下结构响应的特征量分析48-58
• 4.1 基于受力与变形角度的分析48-52
• 4.1.1 冲击力时程曲线48-49
• 4.1.2 动弯矩-转角曲线和冲击力-跨中位移曲线49-52
• 4.2 基于能量转化角度的分析52-57
• 4.2.1 冲击过程中的能量转化52-54
• 4.2.2 撞击物的初始动能对于钢框架能量转化比的影响54-57
• 4.3 本章小结57-58
• 第五章 螺栓与端板工作协调性探讨58-69
• 5.1 T型连接模型的相关研究58-60
• 5.2 T型件有限元模型60-65
• 5.2.1 T型件有限元建模60-63
• 5.2.2 有限元模型的验证63-65
• 5.3 T型件螺栓翼缘工作协调性初步探讨65-68
• 5.4 本章小结68-69
• 第六章 结论与展望69-71
• 6.1 主要结论69-70
• 6.2 工作展望70-71
• 参考文献71-74
• 致谢74-75
• 攻读硕士学位期间论文发表及科研情况75

【参考文献】

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本文编号：556115