钢框架扩翼型节点和狗骨式节点断裂特性分析

摘要

长期以来传统梁柱刚性连接节点通常被认为具有良好的抗震性能，然而在美国北岭地震和日本阪神地震中，大量的焊接钢结构梁柱节点出现了脆性断裂，并未表现出入们所期待的延性。震后学者们提出了基于梁端塑性铰外移的新型节点形式并进行了大量研究，但大都是从抗震性能方面考虑新型节点的设计，针对断裂可能的影响考虑相对较少。为了改善传统节点的力学性能，本文以扩翼型节点和狗骨式节点为研究对象，结合滞回性能及断裂可能对节点扩翼参数和削弱参数的设计进行了分析探讨。
　　本文针对扩翼型节点和狗骨式节点，分别建立了不同参数改变时的三维有限元模型，通过在梁端施加往复循环荷载，利用应力三轴度、等效塑性应变指数和开裂指数对节点薄弱部位进行了开裂可能分析，并结合滞回性能对节点参数取值范围给出了建议值。此外本文基于金属疲劳理论和延性开裂理论，对扩翼型节点和狗骨式节点梁柱翼缘对接焊缝端部这一开裂薄弱位置初始裂纹的开展进行了定量计算，从裂纹开展的角度分析了扩翼参数和削弱参数的变化对裂纹开展的影响。
　　本文针对上述内容的研究结果表明:扩翼型节点的扩翼直线段及圆弧段长度改变对节点的滞回性能影响较小，但其取值过小或过大都会增大焊缝通过孔处的开裂可能，同时造成焊缝端部的裂纹开展速率增大导致节点易出现宏观裂纹，扩翼宽度越宽，越能抑制焊缝裂纹的开展;狗骨式节点的削弱区段离柱翼缘越远，塑性铰外移效果越好，但不利于节点的抗断，削弱长度和削弱深度越大，连接焊缝端部的裂纹开展速率越缓，节点发生开裂的机率越低，但会使节点的承载力损失增大。
　　基于以上分析，本文给出了扩翼型节点设计参数和狗骨式节点削弱参数的建议取值范围，可为上述节点的抗震设计和断裂可能分析提供一定的理论支持。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题的背景和意义

1．2 钢结构梁柱新型延性节点的研究

1．2．1 新型节点的类型

1．2．2 扩翼型节点的研究进展

1．2．3 狗骨式节点的研究进展

1．3 节点断裂研究现状

1．4 本文的研究内容

第2章 新型延性节点的有限元分析方法

2．1 有限元法

2．2 有限元分析

2．2．1 单元类型的选择

2．2．2 材料模型

2．2．3 有限元模型

2．2．4 边界条件与加载

2．3 断裂性能评估的关键部位

2．4 节点断裂性能评估参数

2．4．1 应力三轴度TR

2．4．2 等效塑性应变指数PI

2．4．3 开裂指数RI

2．5 本章小结

第3章 考虑断裂可能影响的扩翼型节点抗震设计参数分析

3．1 概述

3．2 参数设计依据

3．3 扩翼参数La设计

3．3．1 扩翼参数La对节点滞回性能的影响

3．3．2 扩翼参数La对节点断裂可能的影响

3．4 扩翼参数Lb设计

3．4．1 扩翼参数Lb对节点滞回性能的影响

3．4．2 扩翼参数Lb对节点断裂可能的影响

3．5 扩翼参数bwf设计

3．5．1 扩翼参数bwf对节点滞回性能的影响

3．5．2 扩翼参数bwf对节点断裂可能的影响

3．6 本章小结

第4章 考虑断裂可能影响的狗骨式节点抗震削弱参数分析

4．1 概述

4．2 参数设计依据

4．3 削弱参数a设计

4．3．1 削弱参数a对节点滞回性能的影响

4．3．2 削弱参数a对节点断裂可能的影响

4．4 削弱参数b设计

4．4．1 削弱参数b对节点滞回性能的影响

4．4．2 削弱参数b对节点断裂可能的影响

4．5 削弱参数c设计

4．5．1 削弱参数c对节点滞回性能的影响

4．5．2 削弱参数c对节点断裂可能的影响

4．6 本章小结

第5章 基于裂纹开展-断裂模型的梁翼缘断裂量化分析

5．1 概述

5．2 节点裂纹开展-断裂机理

5．2．1 金属疲劳理论

5．2．2 金属延性开裂理论

5．2．3 裂纹开展计算公式

5．3 节点循环荷载下裂纹开展数值计算方法

5．4 节点裂纹开展的有限元分析

5．4．1 节点裂纹开展模拟的试验验证

5．4．2 循环荷载下扩翼型节点有限元分析结果

5．4．3 循环荷载下狗骨式节点有限元分析结果

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 本文结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间论文发表情况

致谢