钢节点性能分析及基于板壳理论的节点转动刚度理论研究

来源 :华南理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:TomasZhang_888
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多年来,在结构分析中一直将框架中的半刚性节点假设为刚接或铰接,使得框架内力分析不准确,进而导致结构可靠度降低、钢材浪费等问题,因此需要找到一个准确、高效的节点转动刚度计算方法。当工程中需要得到某个节点转动刚度对应的节点构造时,一般通过利用节点转动刚度计算方法来不断试算各种构造下的节点转动刚度,为了提高试算效率,需先分析节点参数对节点转动刚度的灵敏度,因此有必要研究合理、高效的钢节点参数灵敏度分析方法。此外,由于钢框架节点一般均为空间节点,因此如何考虑节点构造的空间效应也是在钢框架分析中需要深入研究的问题。基于以上问题,本文主要利用试验研究、有限元分析、节点参数灵敏度分析以及理论分析对梁柱连接节点进行研究,主要工作如下:(1)设计了三类典型梁柱强轴连接节点(端板连接节点、双腹板角钢连接节点及焊接悬臂梁连接节点)的低周往复加载试验,并以试验节点为参照对象,建立了三种连接形式的边柱、中柱节点的精细有限元模来研究节点的受力机理,表明不同构造的节点的节破坏模式、抗侧性能、转动性能、抗震性能以及受力机理均有较大差异。(2)给出了梁柱连接节点的参数灵敏度分析方法:1)建立了节点分析的标准化前处理方法,并利用Python编写的节点参数化有限元建模及分析程序;2)利用“二阶导数法”对有限元分析结果进行后处理,得到不同节点构造对应的节点初始转动刚度;3)利用SPSS对节点构造参数与节点转动刚度进行偏相关分析,从而得到节点构造参数对转动刚度的灵敏度。(3)通过对1117组端板连接节点进行灵敏度分析,得到了不同连接构造参数对节点初始转动刚度的灵敏度,表明节点端板厚度对节点转动刚度的灵敏度系数最大,螺栓水平间距对节点转动刚度的灵敏度系数最小。(4)设计了6个T型件连接节点的试验,通过变换不同的节点构造来研究考虑空间构造的节点的抗侧性能、节点抗弯性能、节点破坏模式以及耗能能力的差异,并建立了有限元模型来分析不同构造的节点受力机理,表明考虑空间构造后节点组件刚度发生较大变化,从而使得节点性能也有明显差异。(5)对于端板连接节点、T型件连接节点以及顶底角钢连接节点,本文将其拆分为发生面外变形的板件、受拉变形的螺栓以及发生剪切变形的柱腹板剪切域。对于受力变形较为复杂的面外变形板件,本文利用板壳理论构造了板件边界条件的偏微分方程组,并利用差分法来对求解偏微分方程组,从而得到板件的面外变形刚度。对各组件的刚度分析后,将各个组件串联或并联组成节点弹簧模型,最终利用模型的内力平衡以及变形协调条件来得到节点初始转动刚度。(6)利用本文的节点初始转动刚度计算方法,开发了节点的辅助计算软件,通过输入端板连接节点、T型件连接节点或顶底角钢连接节点构造参数,可高效、便捷地计算得到节点的初始转动刚度。
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