冷弯薄壁型钢结构屋架受力性能及设计方法研究

摘要

本文在查阅相关文献的基础上，采用试验和非线性有限元分析两种方法，对低层冷弯薄壁型钢结构屋架的受力性能以及设计方法进行了研究。 文中对两种不同布置形式的屋架进行了试验研究，详细介绍了试验装置、试验方法、试件的破坏过程以及对试验数据的分析处理。通过分析发现，桁架的破坏主要是支座处的破坏，杆件并未发生屈曲，说明桁架的破坏不是强度破坏，而是节点连接起控制作用。 有限元分析部分对两个试件进行了模拟，同时考虑了材料非线性和几何非线性问题。采用塑性壳单元模拟桁架的弦杆和腹杆，桁架的弦杆与腹杆的自攻螺钉连接处采用耦合的方法处理，方程组求解方法由ANSYS程序自动选择。有限元分析结果与试验值吻合良好，从而证明了有限元分析方法的正确性和可行性。在此基础上，对钢材强度、截面形式，以及钢材厚度等影响桁架承载力的因素进行了参数分析，结果表明：钢材强度、截面形式，以及钢材厚度对桁架承载力都有较大的影响。 本文通过柱挠度曲线法(CDC法)的计算，分析节点连接半刚性对冷弯薄壁C形钢桁架压杆计算长度的影响。通过计算分析可知，冷弯薄壁C型钢桁架压杆半刚性连接的计算长度与节点转动刚度、构件自身刚度及有效截面有关。计算了不同M-θ曲线时柱子曲线的变化，通过对柱子曲线的对比分析，给出冷弯薄壁型钢受压杆件在平面内计算长度系数μ的建议取值。对于受压弦杆建议其计算长度系数μ=1.0，对于受压腹杆建议计算长度系数μ=0.9，对于端斜腹杆和端腹杆，建议其计算长度系数μ=1.0。 最后，结合已有的理论研究成果，参考国外相关的科研成果和国内结构设计方面的规范(程)，对屋架进行了设计。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2冷弯薄壁型钢结构屋架的研究概况

1.2.1国外研究概况

1.2.2国内研究概况

1.3本文研究的内容

1.3.1之前研究存在的问题

1.3.2本文研究的主要内容

第二章冷弯薄壁型钢结构半刚性连接节点桁架的试验研究

2.1引言

2.2试验目的

2.3试件的设计与材性

2.3.1试件的设计

2.3.2试件的材料特性

2.4试验装置与仪表布置

2.4.1试验装置

2.4.2仪表布置及应变片布置

2.5试验加载制度及试验过程

2.5.1加载制度

2,5.2试验过程及破坏特征

2.6试验结果与数据分析

2.6.1 R-1试验结果及数据分析

2.6.2 R-2试验结果及数据分析

2.7小结

第三章冷弯薄壁型钢屋架承载力的有限元数值分析

3.1引言

3.2有限元分析建模

3.2.1构件单元类型的选取

3.2.2构件单元刚度矩阵的建立

3.2.3材料的非线性本构关系

3.2.4几何非线性

3.3平行弦桁架的有限元模型建立

3.3.1平行弦桁架的有限元模型

3.3.2平行弦桁架的位移约束及荷载的施加

3.4求解及结果后处理

3.4.1求解设定

3.4.2结果后处理

3.5平行弦桁架的有限元分析

3.5.1 R-1有限元分析与试验结果对比分析

3.5.2 R-2有限元分析与试验结果对比分析

3.6平行弦桁架承载力参数分析

3.6.1杆件厚度对桁架承载力的影响

3.6.2杆件截面尺寸对桁架承载力的影响

3.6.3钢材级别对桁架承载力的影响

3.7小结

第四章节点半刚性对冷弯薄壁钢桁架压杆计算长度的影响

4.1引言

4.2轴心受压杆件的计算长度系数

4.3屋架杆件计算长度的研究概况

4.3.1受压弦杆在桁架平面内的计算长度

4.3.2受压腹杆在桁架平面内的计算长度

4.3.3国外规范对于计算长度系数的研究

4.4自攻螺钉连接的冷弯薄壁型钢节点的特性

4.5节点半刚性对冷弯薄壁钢桁架压杆计算长度的影响

4.5.1计算模型的建立

4.5.2考虑连接半刚性后柱挠度曲线法(CDC法)的应用

4.5.3节点半刚性对压杆计算长度的影响

4.6 小 结

第五章冷弯薄壁型钢屋架设计方法研究

5.1引言

5.2屋架设计方法

5.2.1规范的设计方法

5.2.2冷弯薄壁型钢受压杆件的屈曲后承载力与有效宽度设计方法

5.2.3冷弯簿壁型钢轴心受压、拉弯和压弯构件的设计特点

5.3国外屋架的设计

5.3.1设计前提

5.3.2下弦的设计

5.3.3上弦的设计

5.3.4节点设计

5.4三角形屋架的设计

5.4.1荷载计算

5.4.2屋架设计

5.4.3屋架验算

5.4.4屋盖的构造

5.5小结

结论与建议

参考文献

附录

攻读硕士学位期间参与科研与获奖情况

致谢