腋板加强型节点空间钢框架动力时程分析

摘要

上世纪末日本阪神地震和美国北岭地震震害研究表明，传统梁柱普通刚性节点在强震中很容易在梁柱节点连接焊缝处发生脆断，进而导致整体结构的承载力和延性性能发生较大的下降。为了解决这类问题，许多专家学者提出了新型延性节点，腋板加强型节点作为其中一种，可以提高节点的刚度、承载力、极限位移等力学性能，改善结构在塑性阶段的受力性能。目前国内外研究主要为钢框架延性耗能节点在低周往复循环荷载作用下抗震性能研究，而钢框架整体结构非线性动力时程分析的研究较少。
　　本文针对加强型耗能节点空间钢框架的弹塑性动力特性开展了研究工作。参考国内外相关设计规范，设计了梁上、下翼缘对称加腋节点（SHF）、梁下翼缘非对称节点（AHF）和翼缘削弱节点框架(RBF)3个单跨两榀4层空间钢框架计算模型，作为对比，还设计了1个普通梁柱连接节点钢框架计算模型(NSF)。采用ANSYS有限元软件进行模拟，施加3条8度罕遇地震波，研究了上述4个空间钢框架模型的位移、柱底剪力、反应加速度等动力特性，以及梁柱节点区域应力分布、塑性铰形成和外移机制。运用SAP2000验算ANSYS模拟部分结果，同时研究了楼板、加劲肋以及焊缝等因素对节点性能的影响，得到以下研究结论:
　　1、模态分析表明:节点形式的变化不会改变结构振型模态，结构的频率和周期受节点形式变化影响较小，腋板加强节点会使结构的自振频率增大，周期减少。
　　2、时程分析表明:腋板加强节点位移曲线、柱底剪力曲线、柱顶反应加速度放大系数曲线与另外两种节点规律相同;腋板加强节点会减少结构柱顶位移，稍微增加柱底剪力，柱顶反应加速度放大系数基本相同;弹性阶段四种框架应力水平接近，应力集中现象不太明显，弹塑性阶段二层和三层的腋板加强节点、削弱节点和普通节点分别在腋板末端附近梁上、削弱处和梁端塑性区面积最大，应力集中。腋板节点与削弱节点均能实现梁端塑性铰外移，保护梁柱节点区焊缝，但其塑性铰形成位置和机制有所不同。
　　3、SAP2000时程模拟结果，弹性阶段与ANSYS结果基本相同，弹塑性阶段与ANSYS相比位移、剪力结果有所偏大，结构塑性铰机制为梁铰机制，SAP2000进行框架时程非线性分析是可行，结果相对准确。
　　4、楼板与钢梁组成组合梁，提高结构的刚度和承载力，降低了钢梁梁端上翼缘的应力水平，但也一定程度上降低结构耗能能力。加劲肋的正确设置保证梁柱构件的局部稳定并传递集中力，节点域的应力水平能够有效降低。焊缝及其通过孔应根据规范设计，因为其影响腋板节点性能能否正常发挥。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 钢结构应用及发展前景

1．2 延性耗能节点课题研究背景

1．2．1 国内研究现状

1．2．2 国外研究现状

1．3 本文研究目的、内容和方法

第2章 动力时程分析原理及有限元建模

2．1 动力时程分析原理

2．1．1 Newmark法

2．1．2 HHT法

2．2 计算模型设计

2．2．1 钢框架模型设计

2．2．2 节点设计

2．3 有限元建模

2．3．1 有限元原理及非线性分析

2．3．2 单元选取及材料特性

2．3．3 本构模型及屈服法则

2．3．4 地震波的选取及调整

2．3．5 边界条件及求解设置

2．4 本章小结

第3章 腋板加强型钢框架罕遇地震时程分析

3．1 模态分析

3．1．1 模态分析原理及意义

3．1．2 模态分析结果

3．2 罕遇地震下结构的抗震性能

3．2．1 El-centro波时程分析

3．2．2 Taft波时程分析

3．2．3 兰州波时程分析

3．3 本章小结

第4章 腋板加强型钢框架力学性能分析

4．1 应力云图

4．1．1 El波工况

4．1．2 Taft波工况

4．1．3 兰州波工况

4．2 应力路径

4．3 塑性铰分布及外移机制

4．4 腋板加强节点构造设计

4．4．1 组合楼板对钢梁力学性能的影响

4．4．2 节点区加劲肋对钢梁力学性能的影响

4．4．3 腋板加强节点设计与构造要求

4．5 本章小结

第5章 SAP2000与ANSYS有限元计算结果分析

5．1 SAP2000计算软件简介

5．1．1 SAP2000建模与参数设置

5．2 模态分析结果对比

5．3 时程分析结果对比

5．3．1 柱项位移

5．3．2 柱底剪力

5．3．3 柱顶反应加速度

5．3．4 塑性铰分布

5．4 本章小结

第6章 结论及展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文、参加的科研、工程实践及获奖情况

致谢