钢框架结构典型震害的计算机模拟研究

摘要

在1994年美国北岭地震和1995年日本阪神地震中，发生了大量钢框架梁柱节点的脆性破坏。这个现象引发了国内外的大量试验研究和数值模拟研究。计算机软件和硬件的飞速发展，为钢框架结构震害的计算机模拟创造了条件。地震反应的计算机模拟可以为工程结构抗震研究提供了强有力的工具。钢框架结构地震反应的计算机模拟不仅可以为解释钢框架梁柱节点破坏现象提供依据，而且可以为建筑结构抗震设计提供工具。
　　梁柱节点焊缝断裂是钢框架结构震害中的典型破坏模式，本课题研究的目标是对钢框架结构这种典型的震害进行计算机模拟。要模拟钢框架结构的震害，就必须准确地确定构件和节点的刚度。地震荷载作用与静力荷载作用相比，构件、节点和整个体系的刚度并没有多大变化，因此本课题首先研究静力荷载作用下梁柱节点的刚度，建立节点模型。再通过模拟静力循环荷载作用下梁柱节点滞回性能，来间接验证该模型能否模拟地震荷载作用下梁柱节点滞回性能。然后，结合断裂力学研究了梁柱节点焊缝的断裂性能。最终，建立模型对钢框架结构典型震害进行模拟。
　　本文主要研究内容和相应的研究成果概括如下：
　　1.通过对钢框架结构在静力竖向荷载和水平荷载作用下破坏现象和规律的分析，说明梁柱节点受力大、强度低是造成地震中大量钢框架结构房屋梁柱节点焊缝开裂的主要原因。
　　2.通过试验结果与有限元模型计算结果的比较，验证可以用壳元有限元模型来研究梁柱节点性能，实体有限元模型能很好模拟接触问题和预拉力问题，混凝土有限元模型能够较好的模拟混凝土结构的抗压强度高和抗拉强度低的特性。
　　3.分别对工字梁与H型钢柱翼缘连接节点、工字梁与H型钢柱腹板连接节点和工字梁与箱形柱连接节点，在静力荷载作用下的刚度、强度和变形特点进行了研究。
　　基于1978年Krawinkler提出的节点域模型和一维边界面理论，建立了工字梁与H型钢柱翼缘连接节点模型。
　　根据对工字梁与H型钢柱腹板连接的节点域和梁翼缘连接板刚度、强度和变形特点的研究，建立了工字梁与H型钢柱腹板连接节点的模型。
　　根据对工字梁与箱形柱连接的节点域和隔板刚度、强度和变形特点的研究，建立了工字梁与箱形柱连接节点的模型。
　　4.通过对钢框架在水平静力荷载作用下，梁柱节点焊缝应力强度因子的分布规律和影响因素的研究，发现梁柱节点焊缝应力强度因子与梁截面高度、宽度和腹板厚度是增函数关系，与柱截面高度、宽度、翼缘厚度和腹板厚度是减函数关系，随梁长度增加而减小，随柱长度增加而增大。梁翼缘宽度对应力强度因子最大值与平均值比值的影响最大。
　　通过对钢框架在竖向静力荷载作用下，梁柱节点焊缝应力强度因子的分布规律和影响因素的研究，发现梁柱节点焊缝应力强度因子沿梁翼缘宽度方向的分布趋于均匀。梁腹板厚度对应力强度因子影响很小，可以忽略。
　　5.通过对组合节点的研究，发现相同弯矩荷载作用下，楼板对梁上翼缘和梁下翼缘节点焊缝开裂都有一定的保护作用。当楼板受压时，随着弯矩的不断增大，楼板的有效宽度先是快速减少，然后缓慢减少；当楼板受拉时，随着弯矩的不断增大，楼板的有效宽度先是减少，然后增加。
　　建立钢框架结构的平面模型。利用该模型对Blue Cross大厦的震害进行了计算机模拟。结果表明本文所建钢框架结构平面模型能够较好的模拟地震作用下钢框架结构的响应和钢框架梁柱节点焊缝断裂的震害现象，钢框架结构平面模型对节点焊缝断裂的钢框架结构震害研究有着重要的意义。

目录

钢框架结构典型震害的计算机模拟研究

RESEARCH ON COMPUTER SIMULATION OF TYPICAL SEISMIC DAMAGE TO STEEL FRAME STRUCTURES

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外对钢框架结构的研究现状

1.3 本课题的意义

1.4 课题来源

1.5 本课题研究的主要内容

第2章 钢框架结构的震害及规律

2.1 静力作用下钢框架结构的受力特点

2.2 钢框架结构的震害

2.3 重力荷载与水平地震荷载在节点产生的弯矩

2.4 本章小结

第3章 有限元模型验证

3.1 引言

3.2 壳元节点模型

3.3 实体单元模型

3.4 本章小结

第4章 节点域的性能和模型

4.1 工字梁与H型钢柱翼缘连接

4.2 工字梁与H型钢柱腹板连接

4.3 工字梁与箱形柱连接

4.4 轴力对节点域性能的影响

4.5 侧梁对节点域性能的影响

4.6 本章小结

第5章 梁柱节点焊缝应力强度因子的参数分析

5.1 引言

5.2 焊接结构裂缝的产生和扩展

5.3 梁柱节点附近应力分布

5.4 水平荷载作用下梁柱节点焊缝的应力强度因子

5.5 竖向荷载作用下梁柱节点焊缝的应力强度因子

5.6 焊接残余应力对焊缝断裂性能的影响

5.7 本章小结

第6章 钢框架结构平面模型

6.1 引言

6.2 混凝土楼板对钢框架受力性能的影响

6.3 钢框架结构平面模型

6.4 钢框架结构震害模拟

6.4.1 结构体系

6.4.2 地震动记录

6.4.3 阻尼

6.4.4 震害

6.4.5 分析结果

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历