新型梁柱装配式双向连接节点受力性能分析

摘要

随着我国科学技术的不断发展，钢结构在建筑领域中已得到广泛的应用，钢结构具有自重轻，刚度大等优点，并且具有良好的抗震性能以及安装方便、施工周期短、承受循环荷载的性能好等特点。梁柱连接节点是关键受力部位，节点性能的好坏直接影响着整个结构的刚度、强度、安全性、稳定性。本文将重点研究新型梁柱装配式双向连接节点在单调荷载和循环往复荷载作用下的受力性能，认识其破坏机理，为实际工程应用提供理论参考。
　　本文研究的是一种带悬臂梁段拼接的新型梁柱装配式连接节点，悬臂梁和框架梁通过交互布置上下翼缘拼接板连接，拼接板一侧与钢梁翼缘栓接，另一侧与钢梁焊接，悬臂梁与柱在工厂完成焊接，悬臂梁和框架梁在施工现场完成拼接安装。这种在工厂内焊接、施工现场快速安装就位的流程提高了施工效率，减少了焊接工作量，并且操作简便。
　　本文以新型梁柱装配式双向连接节点BASE试件为基础，通过改变悬臂梁段长度、翼缘拼接板处螺栓数量、螺栓预拉力以及摩擦系数等参数设计了4组系列试件，利用ABAQUS有限元软件对各系列试件进行有限元模拟分析，研究了各系列试件在单调荷载作用下和循环往复荷载作用下的受力性能，得出了以下结论:
　　(1)为了满足抗震要求，推荐使用等强设计法设计新型梁柱装配式双向连接节点。
　　(2)随着悬臂梁段长度的增大，拼接处与钢柱距离增加，试件在单调荷载作用下的极限承载力略有降低;同时在循环往复荷载作用下，滞回曲线饱满度逐渐降低，滞回环面积逐渐缩小，延性性能略有降低。考虑到过长的悬臂梁给运输带来困难，因此悬臂梁段长度取值要合理。最合理的范围为1.1～1.5倍梁高范围，且不宜超过1.6m。
　　(3)当实际采用的螺栓数目比按照等强度设计法计算所需减少25％时，试件的极限承载力略有降低，进一步减少螺栓数目，试件的极限承载力却大幅度降低，螺栓在循环往复荷载作用下提前产生滑移，试件的延性性能和耗能性能随着螺栓数量减少而有所增强。增加螺栓数量对提高试件的最大极限承载力没有明显的影响，但降低了各系列试件的延性性能和耗能性能。因此在实际工程设计时，在满足经济性的前提下，为了保证各系列试件同时具有良好的抗震性能和承载力，没有必要过多增加翼缘拼接处螺栓数量。
　　(4)当实际采用的螺栓预拉力在规范规定值士20％范围内，试件的最大极限承载力相差不大。但是随着螺栓预拉力增加，拼接处强度增大，拼接处螺栓在循环往复荷载作用下滑移出现时的荷载增大，各系列试件的延性性能和耗能性能随着螺栓预拉力的增大而逐渐降低。
　　(5)由于试件是按照等强度设计法设计，增大摩擦系数，各系列试件的最大极限承载力增加不多，但是试件的延性性能和抗震性能却逐渐降低。这主要是由于高强度螺栓主要是通过螺栓帽的摩擦、螺栓杆与孔壁的挤压作用耗散地震能量，摩擦系数的增大使其在荷载作用下滑动、挤压的程度降低。
　　(6)当梁柱双向连接节点两侧钢梁与钢柱分别采用翼缘连接与腹板连接时，节点处两个方向的初始刚度存在差异，强轴连接与弱轴连接在单调荷载和循环往复荷载作用下表现出的受力性能并不完全一致。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 传统梁柱节点连接形式

1．3 新型梁柱刚性连接的改良

1．4 带悬臂梁段拼接的梁柱连接研究现状

1．4．1 试验研究

1．4．2 有限元分析

1．5 本文主要研究内容及方法

第2章 有限元基本试件的设计

2．1 试件设计方案

2．2 试件设计依据

2．3 本章小结

第3章 有限元理论及模型建立

3．1 ABAQUS有限元软件简介

3．2 材料参数

3．3 施加约束及加载控制

3．4 网格划分及单元选取

3．5 接触分析

3．6 螺栓预应力的模拟

3．7 塑性理论基础

3．8 非线性理论

3．9 非线性求解控制

3．10 模型基本假定

3．11 本章小结

第4章 新型梁柱装配式双向连接节点有限元分析

4．1 悬臂梁段长度对节点力学性能的影响

4．1．1 强轴BL和弱轴CL系列试件单调荷载作用下的荷载-位移曲线

4．1．2 强轴BL和弱轴CL系列试件单调荷载作用下的力学性能

4．1．3 强轴BL和弱轴CL系列试件循环往复荷载作用下的滞回曲线

4．1．4 强轴BL和弱轴CL系列试件循环往复荷载作用下的力学性能

4．1．5 强轴BL和弱轴CL系列试件循环往复荷载作用下的骨架曲线

4．1．6 强轴BL和弱轴CL系列试件循环往复荷载作用下的延性系数

4．1．7 强轴BL和弱轴CL系列试件循环往复荷载作用下的耗能系数

4．1．8 强轴BL和弱轴CL系列试件应力路径

4．2 翼缘拼接螺栓数量对节点力学性能的影响

4．2．1 强轴LD和弱轴LS系列试件单调荷载作用下的荷载-位移曲线

4．2．2 强轴LD和弱轴LS系列试件单调荷载作用下的力学性能

4．2．3 强轴LD和弱轴LS系列试件循环往复荷载作用下的滞回曲线

4．2．4 强轴LD和弱轴LS系列试件循环往复荷载作用下的力学性能

4．2．5 强轴LD和弱轴LS系列试件循环往复荷载作用下的骨架曲线

4．2．6 强轴LD和弱轴LS系列试件循环往复荷载作用下的延性系数

4．2．7 强轴LD和弱轴LS系列试件循环往复荷载作用下的耗能系数

4．2．8 强轴LD和弱轴LS系列试件应力路径

4．3 螺栓预拉力对节点力学性能的影响

4．3．1 强轴FN和弱轴Fs系列试件单调荷载作用下的荷载-位移曲线

4．3．2 强轴FN和弱轴FS系列试件单调荷载作用下的力学性能

4．3．3 强轴FN和弱轴FS系列试件循环往复荷载作用下的滞回曲线

4．3．4 强轴FN和弱轴FS系列试件低周反复荷载作用下的力学性能

4．3．5 强轴FN和弱轴FS系列试件在反复荷载作用下的骨架曲线

4．3．6 强轴FN和弱轴FS系列试件循环往复荷载作用下的延性系数

4．3．7 强轴FN和弱轴FS系列试件循环往复荷载作用下的耗能系数

4．3．8 强轴FN和弱轴FS系列试件应力路径

4．4 摩擦系数对节点力学性能的影响

4．4．1 强轴MD和弱轴Mc系列试件单调荷载作用下的荷载-位移曲线

4．4．2 强轴MD和弱轴MC系列试件单调荷载作用下的力学性能

4．4．3 强轴MD和弱轴MC系列试件循环往复荷载作用下的滞回曲线

4．4．4 强轴MD和弱轴MC系列试件循环往复荷载作用下的力学性能

4．4．5 强轴MD和弱轴MC系列试件循环往复荷载作用下的骨架曲线

4．4．6 强轴MD和弱轴MC系列试件循环往复荷载作用下的延性系数

4．4．7 强轴MD和弱轴MC系列试件循环往复荷载作用下的耗能系数

4．4．8 强轴MD和弱轴MC系列试件应力路径

4．5 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 本文结论

5．2 展望及建议

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