钢结构无工艺孔梁柱焊接节点的力学性能及其局部工艺尺寸控制研究

摘要

本文以无工艺孔焊接梁柱节点（分为衬板中间切断与衬板贯通的形式）与普通工艺孔焊接梁柱节点作为研究对象，采用热轧H型和带翼缘十字型钢柱2系列模型进行ABAQUS有限元分析，并考虑不同衬板形式对无工艺孔节点性能的影响，纵、横向分析与对比节点性能参数，选出较优的设计方案。此外，研究衬板上的安装焊缝长度、以及无工艺孔节点加工可能存在的凹坑缺陷尺寸对节点性能的影响，以便为实际工程提供可靠的理论和应用依据。本研究的主要内容和成果如下:
　　 (1)根据相关规范及规定，并基于前人研究阐述对连接系数的取值理由，在梁柱连接的极限受弯承载力计算中，考虑梁腹板的贡献，设计出用于非线性有限元分析的节点模型。并采用ABAQUS有限元分析软件，在考虑焊接热效应影响下对这些节点模型进行拟静力分析。结果表明:无工艺孔节点的承载能力与耗能能力均优于普通工艺孔节点;在无工艺孔节点中，衬板中间切断式相比于衬板贯通式的承载能力稍有提高但差别不大，耗能能力则不如后者;采用带翼缘十字型钢柱时的节点的耗能能力明显优于采用H型钢柱时的节点，而前者的承载能力不如后者。综合考虑认为，当在实际工程中采用H型钢柱时，衬板贯通形式的无工艺孔节点（即HSC-3节点）的抗震性能优于其他HSC系列节点;当实际工程中采用带翼缘十字型钢柱时，衬板贯通形式的无工艺孔节点（即CSC-3节点）的抗震性能优于其他CSC系列节点。
　　 (2)考虑采用不割除衬板的方法，对安装焊缝长度进行优化。对第4章提到的两种衬板形式的无工艺孔节点模型做出不同安装焊缝的处理，在考虑焊接热效应影响下进行节点非线性有限元分析。综合极限承载力、转角能力、位移延性能力来进行考虑，提出安装焊缝长度的合理取值公式。
　　 (3)为探明衬板与梁腹板之间的焊接缺陷对梁柱节点抗震性能的影响，采用HSC-1模型作为主体，在衬板弧口处与梁腹板圆弧间的凹坑处做出不同程度的焊接缺陷，在考虑焊接热效应的条件下进行非线性有限元分析。分析结果发现:衬板端部圆弧与梁腹板圆弧之间的焊接缺陷对梁柱节点的抗震性能具有一定的影响，影响主要体现在梁柱节点的位移延性能力上。随着焊接缺陷不断扩大，延性系数以近似于线性的变化不断降低。若控制凹坑缺陷深度在40％以内，节点的抗震性能基本满足要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外钢结构梁柱节点研究

1．2．2 国内钢结构梁柱节点研究

1．2．3 国内焊接热应力分析研究

1．3 研究内容

1．4 论文的构成

第2章 梁柱节点的模型设计

2．1 规范及规程依据

2．1．1 关于梁柱连接承载力的规定

2．1．2 关于“强柱弱梁”的计算规定

2．1．3 关于节点域的计算规定

2．1．4 H型钢抗震构造措施的规定

2．1．5 带翼缘十字形钢抗震构造措施规定

2．2 几何模型设计

2．2．1 模型HSC-1的设计

2．2．2 模型CSC-1的设计

2．3 梁柱制作工法

2．3．1 H型钢的生产做法

2．3．2 带翼缘十字型钢柱的制作流程

2．4 节点工艺

2．5 本章小结

第3章 梁柱节点的有限元分析

3．1 ABAQUS软件简介

3．2 关于焊接模拟问题的有限元分析基本理论

3．2．1 有限元模型的简化

3．2．2 热分析的基本假定

3．2．3 热源模型的选取

3．3 分析方法

3．4 单元类型的选取及网格划分

3．5 焊接热传导分析

3．5．1 材料属性参数

3．5．2 约束条件

3．5．3 施焊模拟分析

3．6 拟静力模拟分析

3．6．1 加载制度

3．6．2 约束条件

3．6．3 ABAQUS求解设定

3．7 分析结果比较

3．7．1 应力分布云图

3．7．2 滞回曲线

3．7．3 骨架曲线

3．7．4 残余应力对比

3．7．5 残余应变对比

3．7．6 RI值的比较

3．7．7 主要力学参数的计算

3．7．8 分析结果对比

3．8 本章小结

第4章 局部工艺尺寸的控制

4．1 安装焊缝长度的控制

4．1．1 安装焊缝简介

4．1．2 数据分析

4．1．3 HSC-1节点安装焊缝长度的合理选择

4．1．4 改变梁柱截面尺寸后的安装焊缝长度取值的探究

4．1．5 模型HSC-A的设计

4．1．6 改变截面尺寸后不同安装焊缝长度节点的数据分析

4．1．7 改变粱柱截面尺寸后的安装焊缝长度的合理选择

4．1．8 安装焊缝长度的合理取值

4．2 中间切断式钢衬板与梁腹板接合处的焊接缺陷影响

4．2．1 国内外对梁翼缘焊缝衬板缺口效应的处理方法

4．2．2 节点模型的工艺处理

4．2．3 有限元分析

4．3 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作

致谢