钢结构半刚性连接的力学建模与非线性分析研究

摘要

在一般钢结构设计理论中，钢结构的梁柱节点总是被假定为铰接或者完全刚接。而在实际的钢结构中，铰接和完全刚接都是不存在的。换言之，所有的钢节点都是半刚性的。虽然将钢节点假设为铰接或者完全刚接可以简化钢结构的分析与设计，但基于这种假定的设计可能造成钢材浪费甚至使结构不安全。目前，国内外缺乏完善的半刚性钢结构的具体设计方法，关于半刚性的研究主要基于弯矩-转角关系已经获得的情况下，较少关于如何获得弯矩-转角关系的研究。因此，本文主要研究半刚性连接节点的力学分析以及半刚性钢结构的整体力学分析，完成了以下工作:
　　1、提出采用非协调实体单元对半刚性节点进行精确建模分析。分析了协调实体单元剪切自锁以及沙漏模式的形成原因，系统研究了考虑几何非线性的三维非协调实体单元，通过虚参数法保证了非协调元的收敛性，推导了非协调元在T.L.格式下的全量以及增量格式，在此单元基础上，提出了可以考虑双重非线性的可行的程序编制方案。
　　2、在获取半刚性节点弯矩-转角关系的基础上，通过缩聚的方法推导了平面半刚性梁柱单元。提出先用实体单元分析半刚性节点再用半刚性梁柱单元分析钢结构整体框架的非线性分析流程。
　　3、采用MATLAB以及FORTRAN两种计算机语言编写非协调实体单元计算程序，包括全量格式、增量格式以及考虑双重非线性的计算程序。这些程序可用于获得半刚性节点的弯矩-转角曲线。采用MATLAB语言编写了平面半刚性梁柱单元用于钢框架整体分析。本论文就相同算例比对了ANSYS与本文程序的计算结果，验证了本文程序的正确性。最后通过一个工程实例，验证了本文提出的半刚性钢结构非线性分析的可行性。本文的研究完善了半刚性钢结构的分析流程。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究现状

1．2．1 半刚性节点的研究

1．2．2 半刚性连接钢框架的研究

1．2．3 非线性有限元分析的研究

1．3 半刚性连接钢结构研究存在的问题

1．4 本文主要工作

第2章 半刚性节点的力学特性及模拟

2．1 引言

2．2 半刚性节点力学特性及其分类

2．2．1 半刚性节点的力学特性

2．2．2 节点的分类

2．3 半刚性节点的分析模型

2．4 本章小结

第3章 用于半刚性节点非线性分析的实体单元

3．1 引言

3．2 剪切自锁与沙漏模式

3．3 8节点实体单元刚度矩阵

3．3．1 虚参数法

3．3．2 T．L．格式单元全量刚度矩阵

3．3．3 T．L．格式单元增量刚度矩阵

3．3．4 仅考虑几何非线性的程序实施流程

3．3．5 考虑双重非线性的计算方法

3．4 算例

3．5 本章小结

第4章 用于半刚性连接钢框架非线性分析的梁柱单元

4．1 引言

4．2 二阶弹性梁柱单元

4．2．1 刚度矩阵的理论推导

4．2．2 程序编写

4．2．3 算例

4．3 二阶弹性半刚性梁柱单元

4．3．1 刚度矩阵的理论推导

4．3．2 程序编写

4．3．3 算例

4．4 半刚性连接钢框架分析实例

4．5 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 研究展望

参考文献

致谢