梁柱外伸端板螺栓连接中若干问题研究

摘要

梁柱外伸端板连接在钢框架结构中应用广泛。为简化构造，西方国家大多不设端板加劲肋和柱腹板加劲肋，我国则大量设置加劲肋。因此，尽管对无加劲外伸端板连接国外已有较多的研究，但对加劲外伸端板连接国外研究较少，而我国的研究尚处在起步阶段。本文应用三重非线性有限单元法对端板加劲肋的设计、端板加劲肋及节点域柱腹板加劲肋对节点性能的影响、螺栓撬力分布、螺栓撬力系数和节点初始转动刚度等进行了深入的研究，并对采用不同形状和厚度加劲肋的T形件连接节点进行了试验研究，最后还给出了工字钢梁和矩形管柱端板连接节点的设计建议。 端板加劲肋为节点提供了第2种向外侧螺栓传递拉力的路径，但目前对加劲肋的设计没有具体规定，轻钢结构中常取等边三角形，厚度取与梁腹板同厚。本文基于端板外伸加劲肋的传力及翼缘内外侧螺栓拉力均衡的考虑提出了加劲肋形状和厚度的设计公式；对本文方法设计的端板加劲肋和工程中常用其他尺寸的端板加劲肋对节点性能的影响进行了有限元分析，并应用T形件与端板受拉区的相似性，对加劲肋T形件连接进行了试验研究。研究表明本文方法设计的端板加劲肋能够很好地满足CECS102：2002中所要求的加劲肋应起到使端板外伸部分由一边固支板变为两相邻边固支板的作用，而目前轻钢工程中常用的加劲肋起不到对端板的有效支承作用。 外伸端板连接中螺栓会因撬力作用提早发生破坏，目前还没有可靠的理论和简化公式来描述撬力的分布或计算撬力的大小。本文采用有限元法研究了外伸端板连接中受拉区螺栓拉力、连接面接触压应力、螺栓撬力和撬力系数的变化规律，得出了梁受拉翼缘内外侧螺栓拉力的比例和螺栓撬力的分布区域，提出了T形件连接中、无加劲和加劲端板连接中螺栓撬力系数的计算公式。 节点转动刚度对钢框架的刚度及变形均具有重要影响，由节点变形引起的框架侧向刚度的降低，会提高自振周期和框架对二阶效应的敏感性。本文将外伸端板连接节点区分成几个部分，并将各部分板件分别等效成不同的Timoshenko梁段，考虑了剪切变形的影响，给出了各部分板件的刚度和高强预拉螺栓的轴向刚度，然后采用组件法给出了外伸端板连接节点初始刚度的计算公式。与有限元计算结果和试验结果的比较表明，本文公式据有较好的精度，并且简单适用，有望在工程中应用。 为防止柱翼缘螺栓孔周围发生冲切弯曲破坏，本文建议采用柱翼缘贴板加强，并给出了设置横向加劲肋节点域柱翼缘贴板的设计方法，与柱翼缘加厚节点螺栓孔处变形的比较表明，本文方法设计的柱翼缘贴板能够起到与加厚柱翼缘同样的作用，并且这种方法更加经济适用。 为提高端板连接中柱节点域腹板抗剪强度，减小柱节点域的变形，并为避免设置斜加劲肋带来的螺栓施工困难，本文建议设置“Morris”加劲肋，给出了“Morris”加劲肋的设计方法，并对设置“Morris”加劲肋的效果进行了研究。 为提高工字钢梁和矩形钢管柱端板连接节点的承载力和节点刚度，需在节点区外包槽钢，本文采用有限元法给出了外包槽钢的设计方法，给出了螺栓排列和柱加劲肋等的设计建议，并提出了节点区柱顶翼缘与梁端齐平，设置外伸槽钢加劲肋，柱顶翼缘和部分腹板与槽钢焊接的新型节点。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1引言

1.2钢框架节点连接的分类

1.3端板连接的特点

1.4端板连接节点的研究

1.5试验研究

1.6塑性铰线理论研究

1.7有限元研究

1.8节点初始转动刚度研究

1.9接触问题的研究

1.10目前研究存在的不足和本文的研究内容

参考文献

第2章外伸端板加劲肋设计及加劲肋作用研究

2.1引言

2.2端板外伸加劲肋研究

2.3计算结果比较

2.4分析方法验证

2.5端板加劲肋对节点性能的影响

2.6结论

参考文献

第3章加劲T形件连接静力试验及有限元研究

3.1引言

3.2材性试验

3.3 T形件连接单向加载试验

3.4试验现象描述

3.5 T形连接件的有限元分析

3.6结论

参考文献

第4章外伸端板连接中螺栓撬力及连接刚度研究

第5章螺栓端板连接中柱翼缘和腹板加强方法研究

第6章矩形管柱和H形钢梁端板连接分析

6.1引言

6.2分析方法介绍

6.3计算结果

6.4结果分析

6.5槽钢厚度的确定

6.6节点区柱顶加强方法研究

6.7结论

参考文献

第7章结论与展望

致谢

个人简历、攻读博士学位期间发表的论文