节点柔度对导管架海洋平台结构Pushover分析的影响及简化计算模型

摘要

空心圆钢管结构由于其受力性能的优越性、施工的简单快捷性以及外观的美观性被广泛的应用在日常的大型空间钢结构建筑以及导管架海洋平台结构中。钢管结构的管件之间一般使用焊接连接进而形成相贯节点，由于节点处弦管的径向刚度远小于支管的轴向刚度，因此当荷载由支管传递到主管时，节点相贯线处的主管壁会发生局部变形，节点出现半刚性的特性，而在实际工程中，钢管桁架结构常被简化为普通梁单元模型，这种方法建模简单，分析速度快，但忽略了节点柔度的影响，因此不能确保分析结果的准确性，对结构的安全设计造成影响。
　　在计算中如果想准确的模拟节点的局部柔度就需要使用实体单元或壳单元建立整个结构的有限元模型，而这种方法对于大型的管桁架结构来说建模过程极为复杂，占用大量电脑内存，且分析效率低。为了解决这个问题，本文提出了在普通梁单元模型中引入虚拟梁单元（FBE，Fictitious Beam Element）的方法，在结构的弹性变形阶段，通过定义虚拟梁单元的轴向刚度和抗弯刚度来实现节点处的局部轴向变形和弯曲变形，虚拟梁单元的轴向刚度和抗弯刚度可使用相关文献给出的节点局部柔度计算公式进行等效。共设计12组不同几何参数的T/Y型节点管桁架模型，并用ABAQUS软件构建各组模型的壳单元模型，同时用Fortran编写刚架程序构建刚架模型和简化模型。通过对比三种不同建模方法的计算结果，验证了简化模型在管桁架结构弹性变形阶段的精确性，并直观地反映了节点局部柔度在钢管结构静力分析中的显著影响。在结构的弹塑性变形阶段，对虚拟梁单元的材料属性进行了等效定义，其方法为：首先用有限元软件对管节点单独建模并计算其荷载-位移曲线，然后将求出的曲线通过公式转换为虚拟梁单元的应力-应变曲线。建立简化模型时，将这种等效的本构关系应用到虚拟梁单元的弹塑性材料属性中，以虚拟梁单元模拟管节点进入塑性阶段后的局部变形。对设计的12组T/Y型节点管桁架进行弹塑性分析，通过对比壳单元模型、简化模型和刚架模型计算出的荷载-位移曲线，验证了简化模型在结构的弹塑性变形阶段受力分析中的精确性。
　　为了研究节点柔度对导管架海洋平台Pushover分析的影响，本文取一导管架海洋平台结构实例进行静力弹塑性分析，借助SAP2000结构设计软件用能力谱的方法求解出结构在8度罕遇地震作用下的目标位移，然后用ABAQUS有限元分析软件对结构分别建立壳单元模型、简化模型和刚架模型，并进行推覆分析得出Pushover曲线，发现刚架模型会过高估计结构的侧向刚度，造成Pushover分析结果有很大偏差，不利于结构的安全抗震评估，而简化模型计算出的Pushover曲线与壳单元模型计算出的曲线有很高的吻合度，可以在实际工程的静力弹塑性分析中推广采用。

目录

声明

1 绪论

1.1引言

1.2 圆钢管节点介绍

1.3相贯节点破坏模式及原理

1.4 节点局部柔度研究现状

1.5 Pushover分析方法研究现状

1.6 导管架海洋平台

1.7 研究内容

2 焊接圆钢管结构线弹性简化模型

2.1 管节点局部柔度的定义及计算规定

2.2 焊接钢管结构节点的变形特征

2.3 模型简化方法

2.4 虚拟梁单元的轴向刚度求解公式推导

2.5 虚拟梁单元的抗弯刚度求解公式推导

2.6 管节点局部柔度参数计算公式

2.7 简化模型验证

2.8 本章小结

3 焊接圆钢管结构弹塑性简化模型

3.1 模型简化方法

3.2 简化模型验证

3.3 本章小结

4 考虑节点柔度的导管架海洋平台模型Pushover分析

4.1 Pushover分析方法概述

4.2 Pushover分析方法原理

4.3 等效单自由度体系的建立[57]

4.4 求解目标位移的方法

4.5 水平加载模式

4.6 导管架海洋平台实例

4.7 目标位移的求解

4.8 节点柔度对Pushover分析的影响

4.9 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录A 平面钢管结构静力分析Fortran程序

攻读学位期间的研究成果