铸钢件连接钢框架梁柱节点性能及设计方法研究

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铸钢连接件采用铸造技术,可以更灵活调整材料的性能,获得轧制和焊接难以制造的形状。钢框架梁柱节点采用铸钢件连接可根据设计要求选择铸钢件尺寸,以获得所需要的静动力性能。全螺栓连接避免节点施焊带来的弊端,施工速度快,有利于钢框架结构进一步推广应用。  本文综合分析了半刚性节点形式的优缺点,根据节点设计构造要求,提出了可用于连接钢框架梁柱的铸钢件基本形式。变换铸钢件参数对节点进行静力及滞回试验,并应用 ANSYS软件进一步扩大参数分析。对铸钢件连接的梁柱节点静力性能、滞回性能以及螺栓受力性能进行研究,探讨了节点的静动力特性,在此基础上提出了相关指标的计算和模拟方法以及相关设计建议。  变换铸钢件水平肢、竖肢和肋板厚度对采用铸钢件连接的梁柱节点进行静力性能试验研究,获得了节点的破坏模式、弯矩转角关系等相关数据。分析结果表明:铸钢件竖肢和肋板厚度变化对节点静力性能有显著影响,其厚度的加大可以改变铸钢件及节点的破坏模式,增大节点的刚度和承载能力。有限元变参数分析变化了铸钢件竖肢厚度、铸钢件水平肢厚度、铸钢件肋板厚度、梁翼缘厚度、梁腹板厚度、柱翼缘厚度、柱腹板厚度、螺栓直径等参数,分析获得更具普遍意义的数据,表明该节点形式符合半刚性节点的基本特征。在变形分析的基础上,提出了铸钢件抗拉、抗弯刚度的计算方法;判定了铸钢件破坏模式及其影响因素,提出了铸钢件抗拉承载力的计算方法;结合组件法计算思想,提出了铸钢件连接梁柱节点初始转动刚度、弹塑性抗弯承载力的计算方法;根据弯矩转角关系曲线特点,提出了可行的弯矩转角关系曲线模拟方法。  变换铸钢件水平肢、竖肢和肋板厚度对采用铸钢件连接的梁柱节点进行滞回性能试验研究,获得了节点滞回曲线、粘滞阻尼系数等相关数据。分析结果表明:铸钢件的塑性变形可以给节点带来更大的转动能力,增大了节点的延性,可以充分利用铸钢件延性耗能,获得节点更有效的耗能能力。铸钢件竖肢和肋板厚度变化导致了节点破坏模式的变化,对节点滞回性能也有显著影响。有限元变参数分析变化了竖肢厚度、肋板厚度、水平肢厚度,获得了滞回性能相关指标。等效粘滞阻尼系数对比表明,节点的耗能能力受竖肢厚度影响较大。根据节点滞回曲线特点,提出了弯矩转角关系曲线模拟方法。  变换铸钢件水平肢、竖肢和肋板厚度对铸钢件螺栓连接进行受拉试验研究,获得了螺栓内力与外力关系等相关数据。试验结果表明:撬力的存在显著地增大了螺栓的内力,并且由于拉力的偏心,产生了不可忽略的弯矩。有限元分析对影响螺栓截面内力的因素进行探讨,获得了螺栓所受拉力和弯矩变化趋势,提出了适用于本文铸钢件形式的螺栓内力计算方法。  试验和理论研究表明,铸钢件连接钢框架梁柱节点作为一种新型半刚性节点,可以按设计要求更加灵活调整几何尺寸及材料特性进而获得需要的刚度及承载力;具备可靠的延性及耗能能力;可避免焊接缺陷;充分利用材料;综合效益较好。本文提出的铸钢件连接钢框架梁柱节点设计思路和基本方法,可供设计借鉴。
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