基于模态分析的框架节点性态设计研究

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框架节点是连接梁和柱以及传递梁柱内力的关键部位,节点受力特性复杂,在结构设计中常难以控制。在历次震害中,节点是结构破坏的核心部位。目前国内外对于节点核心区的性能和设计方法还一直存在着分歧,而且各国的相关规范也没有给出能反映节点核心区力学特性的量化指标。因此,开展对框架节点力学性能和设计方法的研究是十分必要的。振型是结构自身的固有特征参量,由结构的质量和刚度决定。振型体现了结构的局部刚度和质量之间的相对比值关系,且振型阶次表示了在荷载作用下结构最易产生变形的次序。特征参量可从宏观上把握结构整体和局部的力学特性,且不涉及荷载组合。因此利用特征参量研究框架节点的性能更方便、直接。在国家自然科学基金项目“基于特征参量控制的工程结构设计方法研究”(50978232)的资助下,本文重点做了以下具体工作:1)建立框架节点有限元模型,通过改变梁跨高比和柱剪跨比等设计参数,对不同尺寸节点进行模态分析。分析表明,由适中柱和普通梁组成的节点,振型以各种弯曲振型为主,节点核心区的振动比较平缓;随着节点梁柱尺寸的减小,节点核心区的振动越来越剧烈,节点的扭转、剪切等不利振型增多且阶次提前;即当出现短柱或深受弯梁情形时,不仅构件本身的受力状态劣化,节点核心区的力学性能也趋于复杂,且难以进行验算设计,故应在设计中尽量避免。2)通过定义节点核心区振型参与度,定量描述了节点核心区的力学性能特征。分析发现,对于不同的框架节点梁、柱截面尺寸,节点核心区振型参与度曲线的变化趋势大致相同:即随着梁跨高比和柱剪跨比的减小,节点核心区振型参与度逐渐增大;部分节点核心区振型参与度随构件跨高比或剪跨比的变化有明显的拐点,可作为节点区域概念设计的量化参考指标。3)根据位移在振型上的展开,建立了基于振型展开的应力、应变推导公式。并将梁与柱在不同加载情况下获得的位移在振型上进行投影,得到了梁和柱力学性能的一般规律。研究表明,在结构概念设计阶段,应使结构的有利振型靠前,推迟不利振型的出现阶次,尽量避免出现不利的变形形式。
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