冷弯薄壁型钢门式刚架结构极限状态与设计方法研究

摘要

本文采用非线性有限元分析方法，对冷弯薄壁型钢门式刚架结构的承载力极限状态、正常使用极限状态以及设计方法进行了研究。 首先对平面冷弯薄壁型钢门式刚架试件进行模拟，同时考虑了材料非线性和几何非线性。研究了螺栓孔壁的滑移、初始缺陷等对刚架极限荷载和变形的影响，提出了采用弹簧单元替代孔壁滑移的方法。在此基础上，将有限元分析结果与试验结果进行对比，从而验证了该方法的正确性和可靠性。 其次研究了刚架腹板高度、翼缘宽度、柱脚刚度、节点板尺寸、构件线刚度、刚架梁坡度等对冷弯薄壁型钢门式刚架极限承载性能的影响，结果表明：翼缘宽度、刚架梁坡度的变化对刚架极限承载力影响较小；随着刚架腹板高度增加、柱脚刚度的增大、节点板尺寸的增加，刚架极限承载力明显提高；随着刚架高度或跨度的增加，刚架极限承载力有所降低。 再次对三维空间刚架整体模型进行了变形分析。研究了剪力蒙皮效应对冷弯薄壁型钢门式刚架变形的影响，包括竖向变形和侧向变形。通过对竖向和侧向两种变形进行分析，表明在进行冷弯薄壁型钢门式刚架设计时，结构受承载能力极限状态控制：此外，还对刚架进行了变竖向荷载的侧移分析，研究表明，冷弯薄壁型钢门式刚架结构体系侧移二阶效应显著；在上述研究的基础上，就刚架节点板厚度及尺寸的确定、蒙皮效应影响系数、刚架结构或构件的变形限值规定等提出了一些建议。 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)，进一步提出了冷弯薄壁型钢门式刚架结构体系设计方法，包括螺栓孔壁滑移刚度的计算、节点刚度简化计算、构件设计方法及节点设计方法等。基于该设计方法，对冷弯薄壁型钢门式刚架进行了试设计，并与轻型门式刚架结构进行经济性比较，研究表明：冷弯薄壁型钢门式刚架结构房屋在无吊车、小跨度领域具有良好的经济性能。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表

声明

第一章 绪论

1.1冷弯薄壁型钢门式刚架结构体系概述

1.2冷弯薄壁型钢门式刚架结构研究现状

1.2.1国外研究概况

1.2.2国内研究概况

1.3本文研究的主要内容

1.3.1前人研究的不足

1.3.2本文研究的工作

第二章冷弯薄壁型钢门式刚架结构非线性有限元分析理论

2.1引言

2.2刚度矩阵方程组的建立

2.2.1单元类型的选择

2.2.2局部坐标系下单元的刚度矩阵

2.2.3整体坐标系下单元的刚度矩阵

2.2.4刚架结构的总体刚度矩阵

2.3材料的非线性本构关系

2.3.1屈服准则

2.3.2强化准则

2.4几何非线性

2.5刚度矩阵方程组的求解及收敛准则

2.5.1求解设定

2.5.2收敛准则

2.6小结

第三章 冷弯薄壁型钢门式刚架有限元模型的建立与验证

3.1引言

3.2冷弯薄壁型钢门式刚架试件描述

3.2.1刚架几何模型

3.2.2试件加载装置

3.3刚架有限元模型的建立

3.3.1刚架有限元模型

3.3.2材料特性的定义

3.3.3位移约束及荷载的施加

3.3.4初始几何缺陷

3.4有限元模型的验证

3.4.1螺栓孔滑移对刚架承载性能的影响分析

3.4.2螺栓几何容差对刚架竖向变形的影响分析

3.4.3初始缺陷对薄壁刚架性能的影响分析

3.4.4刚架结构有限元分析结果对比验证

3.5小结

第四章 冷弯薄壁型钢门式刚架结构极限状态分析研究

4.1引言

4.2冷弯薄壁型钢门式刚架结构承载性能变参数分析

4.2.1腹板高度对刚架竖向极限承载力的影响

4.2.2翼缘宽度对刚架竖向极限承载力的影响

4.2.3柱脚刚度对刚架竖向极限承载力的影响

4.2.4节点板尺寸及厚度对刚架竖向极限承载力的影响

4.2.5刚架构件线刚度对刚架竖向极限承载力的影响

4.2.6刚架梁坡度对刚架竖向极限承载力的影响

4.3冷弯薄壁型钢门式刚架结构变形分析

4.3.1现行规范变形限值规定

4.3.2荷载组合效应

4.3.3三维空间整体刚架模型的建立

4.3.4蒙皮效应对薄壁刚架结构变形的影响

4.3.5薄壁刚架结构变形分析

4.4设计建议

4.4.1节点板厚度及尺寸确定

4.4.2蒙皮效应影响修正系数

4.4.3薄壁刚架变形限值的规定

4.4.4其它建议

4.5小结

第五章 冷弯薄壁型钢门式刚架结构设计方法研究

5.1引言

5.2冷弯薄壁型钢门式刚架节点刚度简化计算方法

5.2.1螺栓孔壁滑移刚度数值模拟

5.2.2单块板螺栓群转动刚度计算

5.2.3刚架节点转动刚度计算

5.3冷弯薄壁型钢门式刚架构件设计

5.3.1刚架柱的计算长度系数

5.3.2刚架构件设计方法

5.4冷弯薄壁型钢门式刚架节点设计

5.4.1节点构造详图

5.4.2节点的设计计算

5.5冷弯薄壁型钢门式刚架试设计

5.5.1基本设计规定

5.5.2刚架模型建立

5.5.3刚架设计计算及经济性对比分析

5.6小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢