钢框架柱高强螺栓拼接节点力学性能与设计方法研究

摘要

钢框架柱作为钢框架结构中最重要的构件，对结构的整体承载能力、受力性能、抵抗变形的能力有着至关重要的作用。由于工厂制作条件、运输条件的限制，钢框架中的一根完整柱需要由多段在现场拼接而成，钢框架柱拼接节点属于结构的关键节点。我国正在修订的《高层民用建筑钢结构技术规程》（送审稿）中，钢框架梁的拼接设计公式引用了《日本建築学会·鋼構造接合部設計指針》2006中的规定，钢框架柱的高强度螺栓拼接仍沿用JGJ99-98的设计公式。而在日本规范中，钢框架柱拼接节点的设计公式与梁的拼接节点设计公式是相通的。
　　本文对日本钢框架柱拼接节点的设计公式进行了溯源，对比分析了我国与日本设计公式的异同，在日本设计公式的基础上，结合我国现行设计方法，提出了改进后的钢框架柱高强度螺栓摩擦型连接拼接节点设计公式。
　　对日本《鋼構造接合部設計指針》中钢框架柱高强度螺栓拼接节点算例，分别采用日本设计公式、JGJ99-98设计公式、本文改进公式进行节点设计，对比设计结果和节点力学性能，然后把三个拼接节点与无拼接节点的完整钢柱作对比。再通过对不同截面尺寸、钢材材质的钢框架柱高强度螺栓拼接节点，分别采用JGJ99-98设计公式、本文改进公式进行设计，并作ANSYS分析，结果显示:日本公式设计结果受节点内力影响较大，不同节点位置、节点荷载都会影响节点的设计结果;JGJ99-98公式采用与钢柱净截面等强，由于减去了螺栓孔的面积，节点对构件有一定的削弱。ANSYS分析中JGJ99-98设计的试件在钢材未达到屈服强度时拼接节点就发生了滑移破坏，其节点强度略小于构件的强度;而本文改进公式设计的试件破坏位置位于拼接节点外的钢柱底部，节点强度大于构件强度，其荷载-位移曲线与无拼接节点完整钢柱的荷载-位移曲线非常吻合，节点未削弱构件。本文改进公式只与钢柱的截面尺寸有关，不同内力、不同位置的节点可采用同一设计结果，便于统一设计，大大减少了设计工作量，相较于日本公式，设计过程大大简化，与JGJ99-98设计公式相比，采用钢柱全截面抗弯承载力代替净截面抗弯承载力，把弯矩对翼缘和腹板进行分配，并考虑腹板弯矩传递系数，再根据分配后的节点内力进行节点设计，本文公式更合理可靠。

目录

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摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 钢框架柱拼接节点的分类

1．3 钢框架柱高强度螺栓拼接节点的应用

1．4 国内外研究历史与现状

1．4．1 国内研究历史与现状

1．4．2 国外研究历史与现状

1．5 需要进一步研究的问题

1．6 本文研究的主要内容

第2章 中日规范中拼接节点公式对比

2．1 概述

2．2 钢框架柱高强度螺栓摩擦型连接拼接节点设计公式对比

2．2．1 我国现行规范规定

2．2．2 《高层民用建筑钢结构技术规程》(送审稿)的规定

2．2．3 日本规范规定

2．2．4 规范对比

2．3 日本拼接节点试验介绍

2．3．1 试验概述

2．3．2 试验分析

2．4 钢框架柱高强度螺栓摩擦型连接拼接节点设计公式的改进

2．5 本章小结

第3章 高强螺栓拼接节点模型建立

3．1 概述

3．2 ANSYS简介

3．2．1 ANSYS程序处理模块

3．2．2 ANSYS有限元分析基本过程

3．2．3 结构非线性分析概述

3．2．4 接触有限元

3．3 钢框架柱高强度螺栓摩擦型连接拼接节点模型的建立

3．3．1 计算单元选取及其单元特性

3．3．2 单元网格划分

3．3．3 高强度螺栓设置

3．3．4 摩擦面设置

3．3．5 边界及加载条件

3．4 模型校核

3．5 本章小结

第4章 高强螺栓拼接节点改进公式验证

4．1 概述

4．2 日本规范中算例对比分析

4．3 考虑不同参数时对改进公式进行验证

4．3．1 钢材材质为Q235B时改变截面尺寸对比分析

4．3．2 钢材材质为Q345B时改变截面尺寸对比分析

4．4 考虑不同轴压力作用下的对比分析

4．5 本章小结

结论

参考文献

致谢