薄柔钢框架刚性端板连接节点的设计方法

摘要

薄柔构件的组成板件为非厚实或薄柔截面，由于板件壁薄，梁柱构件之间通常采用外伸式端板连接。在已有的薄柔钢框架研究中要求梁柱端板连接节点满足刚接要求，但并未提出可靠的设计方法，而按照我国现行规范设计的端板连接也不能保证节点的刚接。为配合薄柔钢框架的推广应用，提出合理、简便、可靠的刚性端板连接节点设计方法已是工程所需，围绕这一主题有两方面的工作：节点组件的设计和节点刚度的计算。 本文首先对30个薄柔构件端板连接进行了单调和反复加载试验。以板件宽厚比、板件厚度和杆件倾角作为梁构件的参数，以焊缝形式、端板厚度和端板加劲肋作为连接的参数。试验研究对比了连接和杆件的强度关系，考察了各参数对连接性能的影响，讨论了焊缝、端板和螺栓等组件的设计问题。通过将试验结果与有限元计算结果进行对比，验证了有限元模型的可靠性，为后续研究提供了支持。 随后专门研究了高强度螺栓群的受力性能。研究手段有试验、理论计算和基于理论模型的参数分析，在理论模型中用非线性弹簧单元代替螺栓，通过结果对比和分析，研究了螺栓力和螺栓群中和轴的分布情况，并对现有的螺栓设计方法进行了评价。 在节点刚度的计算方面，本文选取了薄柔钢框架中出现频次较高的几种端板连接节点构造进行了研究。采用组件法将节点初始刚度的计算归结为受拉T形件和受剪节点域初始刚度的计算，通过引入上述的弹簧单元推导了无加劲T形件、有加劲T形件和含背垫板的T形件的初始刚度表达式，通过有限元辅助分析提出经背垫板或补强板加强的节点域的初始刚度表达式，并组装出节点的初始刚度表达式。然后基于现行规范提出了端板连接节点抗弯承载力设计值的计算方法，基于屈服线理论提出了背垫板厚度的计算方法，讨论了在设计荷载作用下，端板连接节点各组件的受力状态。最后通过与试验和有限元结果对比，证明刚度计算模型的精确性。 利用节点初始刚度的计算模型，对按照现行规范设计的薄柔钢框架端板连接节点的刚性进行了评价，表明节点存在刚性和半刚性两种情况。之后定义了表征连接构造刚性的刚度系数ζ，通过参数分析拟合出不同节点构造下ζ的近似计算公式，由此可以较简便地求出薄柔钢框架中端板连接节点的初始刚度，为方便初步设计阶段的估算，还给出ζ和节点初始刚度的简化计算方法。在前述分析的基础上，提出薄柔钢框架中刚性端板连接节点的设计方法和设计流程图，并给出两个算例。节点组件的设计仍以现行规范为主，辅以适当的修改，在组件设计完毕后需进行刚度计算与刚性判断，对不满足刚接的节点需进行调整直至满足为止。 本文最后对研究成果进行了总结，并提出了有待进一步研究的问题。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号和术语

声明

第一章引言

1.1薄柔截面、薄柔构件和薄柔钢框架

1.1.1薄柔截面

1.1.2薄柔构件和薄柔钢框架

1.1.3薄柔钢框架的特点

1.2节点与连接

1.2.1基本概念

1.2.2欧美规范对节点的分类

1.2.3节点性能的研究方法

1.3端板连接节点的构造与设计

1.3.1端板连接节点的构造

1.3.2各国规范的设计规定

1.4端板连接节点的研究现状及进展

1.4.1T形件的研究

1.4.2端板连接节点的研究

1.4.3端板连接的设计方法

1.4.4前人研究的不足

1.5本课题的工程背景和研究意义

1.6本文研究工作

1.6.1研究内容

1.6.2论文结构

第二章薄柔构件端板连接的试验及有限元分析

2.1引言

2.2试验研究

2.2.1试验方案

2.2.2单调加载试验结果及分析

2.2.3反复加载试验结果及分析

2.3有限元分析

2.3.1有限元模型

2.3.2计算结果

2.3.3结果讨论

2.3.4连接转角的确定

2.4本章小结

第三章端板连接高强度螺栓群性能的试验及理论研究

3.1引言

3.2试验研究和有限元计算

3.2.1试验方案

3.2.2试验结果

3.2.3有限元计算

3.3理论分析

3.3.1螺栓简化

3.3.2计算模型

3.3.3计算结果

3.4结果分析

3.4.1中和轴位置

3.4.2螺栓受力分布

3.4.3螺栓力理论值与试验值的比较

3.4.4设计承载力下螺栓的受力状态

3.5参数分析

3.5.1链杆刚度与位置

3.5.2螺栓排列

3.5.3端板厚度与螺栓直径

3.6对现有计算方法的评价

3.6.1与试验值的比较

3.6.2螺栓的受力状态

3.7本章小结

第四章端板连接节点的初始刚度与抗弯承载力

4.1引言

4.2T形件的初始刚度

4.2.1无加劲T形件

4.2.2有加劲T形件

4.2.3含背垫板的T形件

4.3节点的初始刚度

4.3.1划分组件

4.3.2受弯端板

4.3.3受弯柱翼缘

4.3.4受剪节点域

4.3.5刚度组装

4.4节点抗弯承载力设计值

4.4.1受拉螺栓

4.4.2受弯端板

4.4.3受弯柱翼缘

4.4.4节点域柱腹板

4.4.5节点抗弯承载力设计值

4.5各组件受力状态的讨论

4.5.1焊缝

4.5.2螺栓

4.5.3端板

4.5.4节点域

4.6节点刚度计算方法的检验

4.7本章小结

第五章薄柔钢框架端板连接节点的刚性评价与刚度系数分析

5.1引言

5.2H形钢构件截面分类

5.3框架节点刚度评价

5.3.1节点设计

5.3.2刚度计算

5.4刚度系数的定义

5.5参数分析

5.5.1基本情况

5.5.2梁板件宽厚比对节点刚度和刚度系数的影响

5.5.3柱板件宽厚比对节点刚度和刚度系数的影响

5.5.4刚度系数的计算公式

5.5.5刚度系数与梁跨度的关系

5.5.6刚度系数计算公式的验证

5.5.7初始刚度的简化计算方法

5.6本章小结

第六章薄柔钢框架刚性端板连接节点的设计方法

6.1引言

6.2节点设计方法

6.2.1节点各组件的设计

6.2.2刚度参数的计算

6.2.3节点刚性的判断

6.2.4节点设计流程

6.3算例1

6.3.1已知条件

6.3.2节点1设计

6.3.3节点2设计

6.4算例2

6.4.1已知条件

6.4.2节点设计

6.5本章小结

第七章结论与展望

7.1结论

7.2展望

致谢

参考文献

附录A H形钢构件截面弯矩—转角曲线特征值的拟合公式

个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果