支撑板式连接节点与框架梁柱间相互作用的研究.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 ii abstract the gusset plate connections are often supposed to be ideal hinges in engineering design due to their small stiffness however many recent experimental researches have indicated that the in plane performance of the gusset plates was not identical with ideal hinges and the in plane stiffness could not be ignored therefore the gusset plates will introduce secondary internal forces in beams and columns when the steel frame subjected to severe cyclic loadings which will bring negative effects on the structural safety in this dissertation some influence parameters of the gusset plates on the secondary moments in beams and columns were investigated by using the ansys program and some design suggestions on the secondary moments were presented moreover influence parameters of the gusset plates on the forces between the gusset plates and steel frame were also analyzed the main contests are listed as follows firstly the finite element models of the hinged frames were built up and the influences of the size and thickness of the gusset plates and the axial compression ratio of columns on secondary moments in beams and columns were studied based on the above analysis some design suggestions on the secondary moments were presented secondly the finite element models of the rigid frames were built up by using the beam elements and shell elements respectively the results show that the stability designs of beams and columns are conservative when using beam element models but the strength designs are not conservative and then the influences of the size and thickness of the gusset plates and the axial compression ratio of columns on secondary moments in beams and columns were studied and the design suggestions of the secondary moments were presented thirdly the regularity of the forces between the gusset plates and steel frame was studied and the influences of the size and thickness of the gusset plates the axial compression ratio of columns and the form of the beam to column joints on the equivalent plastic strain in beam webs and column webs were also explored keywords braced frame structure gusset plate secondary moment equivalent plastic strain finite element analysis 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 iii 目 录 摘 要 i abstract ii 第 1 章 绪 论 1 1 1 研究背景及目的 1 1 2 研究现状 2 1 3 主要研究内容 8 1 4 课题来源 9 第 2 章 节点板对铰接框架梁柱附加弯矩的影响规律 10 2 1 概述 10 2 2 研究方法与有限元模型 10 2 2 1 问题的研究方法 10 2 2 2 结构模型 11 2 2 3 分析参数选取 12 2 2 4 单元类型 14 2 2 5 材料属性 15 2 2 6 初始缺陷 15 2 3 计算结果分析 16 2 3 1 节点板厚度对附加弯矩的影响规律 22 2 3 2 节点板边长对附加弯矩的影响规律 26 2 3 3 柱轴压比对附加弯矩的影响规律 30 2 4 设计建议 36 2 5 本章小结 37 第 3 章 节点板对刚接框架梁柱附加弯矩的影响规律 38 3 1 概述 38 3 2 研究方法与有限元模型 38 3 2 1 问题的研究方法 38 3 2 2 结构模型 38 3 2 3 分析参数选取 39 3 2 4 单元类型 42 3 2 5 材料属性 43 3 2 6 初始缺陷 43 3 3 计算结果分析 43 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 iv 3 3 1 实际结构与工程设计模型弯矩的对比 43 3 3 2 梁柱中的附加弯矩 47 3 3 3 节点板厚度对附加弯矩的影响规律 51 3 3 4 节点板边长对附加弯矩的影响规律 55 3 3 5 柱轴压比对附加弯矩的影响规律 58 3 4 设计建议 64 3 5 本章小结 65 第 4 章 节点板与梁柱间的相互作用力 67 4 1 概述 67 4 2 节点板与梁柱间的作用力的发展变化规律 67 4 3 对梁柱腹板中塑性应变的影响 72 4 4 本章小结 75 结 论 77 参考文献 78 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 81 致 谢 82 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 第1章 绪 论 1 1 研究背景及目的 近些年来 随着经济的发展 科技的进步 钢结构已被越来越广泛的应用 在高层建筑中 相较于其他材料 钢材在很多方面优势突出 如强度高 自重 轻 刚度大 材质均匀 塑性性能好等 因此特别适合在大跨度和超高层建筑 中应用 1 除此之外钢结构建筑还具有生产效率高 易于施工 节能环保等优 点 钢结构的起源可追溯到 18 世纪 而钢结构的快速发展时期则是在 19 世纪 80 年代以后 2 我国由于受到经济和技术条件等方面的制约 在钢结构建筑方 面起步较晚 深圳发展中心大厦 是我国修建的第一座钢结构建筑 建成于 1990 年 主体高度 146 米 它标志着我国钢结构建筑时代的到来 3 到了近 10 年 随着中国经济的腾飞 大量的超高层钢结构建筑如雨后春笋般出现于全国 各地 不断刷新着高度的记录 2009 年竣工的上海环球金融中心楼高 492 米 是目前中国最高的高层钢结构建筑 同时也是世界第三高楼 国内目前在建的 其他高层钢结构建筑有 632 米的上海中心以及 384 米的沈阳恒隆市府广场等 随着钢结构建筑高度的不断攀升 建筑结构的抗震性能显得尤为关键 而 在结构的抗震性能中 钢支撑以及支撑节点发挥着至关重要的作用 在上个世 纪八十年代以前 各国学者在这方面的研究多集中于支撑杆件本身 而对支撑 节点在抗震方面起到的作用比较忽视 直到人们在 1978 年的日本宫城县地震中 发现支撑节点在地震中的破坏更为严重 在宫城县仙台市新型商业区的 80 座钢 结构建筑中 支撑出现破坏的有 43 座 共有 69 件支撑发生破坏 而其中属于 节点破坏的有 49 件 占到了总数的 71 从此之后人们才对支撑连接节点抗 震性能方面的研究给予了越来越多的关注 4 支撑板式连接节点是一种用于连接支撑杆件和框架梁柱的新型支撑节点 这种节点首先由国外学者提出 相较于我国 高层民用建筑钢结构技术规程 5 中推荐的几种常用的支撑节点而言 这种板式连接节点刚度较小 更接近于 铰接连接 除此之外 这种节点还具有构造简单 安装方便 耗能性能好等很 多优点 目前国内外对于这种板式节点的研究多集中于节点板本身的强度 稳定以 及耗能性能等方面 而对于节点板与梁柱之间的相互作用则研究的较少 节点 板具有一定的几何尺寸与刚度 在实际结构中不能完全等同于理想铰 当支撑 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 框架在外力作用下产生层间变形时 梁柱与节点板间势必会产生相互作用力 这种作用力会阻碍梁柱的转动 并在梁柱中产生附加弯矩 对结构安全造成不 利影响 同时 节点板对梁柱的作用力还会在梁柱腹板中产生局部的附加应力 对梁柱腹板的强度和稳定产生一定影响 本文将借助有限元软件研究以上几个 方面的内容 并给出相关方面的设计建议 1 2 研究现状 1952 年 whitmore 提出支撑传来的作用力会均匀分布在支撑端部一定宽度 范围内的节点板截面中 即效宽度概念 6 如图 1 1 所示 whitmore 认为应力 是从第一排螺栓 或焊缝端部 起沿 30 的角度扩散至支撑端部的节点板截面 中 并可用该截面的面积乘以材料的屈服强度来计算节点板的屈服承载力 图 1 1 whitmore 有效宽度示意图 1983 年至 1985 年间 亚利桑那大学的 reidar bjorhovde 教授对节点板的工 作性能和破坏特征进行了实验研究 7 8 实验表明节点板边界形式和节点板屈曲 是影响节点板工作性能的重要因素 他们还指出实验中节点板的主要破坏形式 是剪切破坏 如图 1 2 并可由 whitmore 理论进行验算 图 1 2 剪切破坏示意图 1984 年 thornton 给出了节点板屈曲承载力的计算方法 他将处在 whitmore 截面与梁柱间的这部分节点板看作是两端固接的受压短柱 受压短柱的稳定承 载力即是节点板的屈曲承载力 9 thornton 认为短柱的计算长度系数应取 0 65 也有其他人认为应取 0 5 10 11 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3 1985 年 俄克拉荷马大学的 astaneh asl 教授对双角钢支撑在剧烈往复荷 载作用下的平面外失稳问题进行了实验研究 12 实验现象表明支撑平面外失稳 的变形形式类似于两端铰接的轴压杆件的失稳形式 并且支撑发生失稳后会在 两端的节点板中和支撑杆件中部各形成一个塑性铰 文章还指出为保证节点板 中能够自由形成塑性铰并提高节点板的延性 应在支撑端部的节点板中留有至 少二倍节点板厚度的自由长度 实验现象还表明随着荷载的循环加载 支撑杆 件的稳定承载力是不断降低的 而从支撑第一次失稳到第二次失稳的过程中支 撑稳定承载力的降低幅度是最大的 关于文中提到的 2t 自由长度这一概念 美 国钢结构抗震规范 13 规定应是节点板边缘向支撑轴线所做垂线到支撑端部的 最短距离 但也有人认为应是节点板两个边缘的连线到支撑端部的最短距离 14 如图 1 3 图 1 3 对于 2t 不同的确定方法 1985 年 astaneh asl 对双角钢支撑在剧烈往复荷载作用下的平面内失稳 问题进行了实验研究 15 实验现象表明双角钢支撑平面内失稳的变形形式类似 于两端固接的轴压柱的变形形式 因此认为有效长度系数 k 可以近似的取为 0 5 实验还观察到当双角钢支撑发生平面内失稳后 支撑中会形成三个塑性铰 其中一个是在支撑杆件的中部 两外两个是在紧挨着节点板的支撑杆件端部 实验同样表明随着荷载的循环往复 支撑杆件平面内失稳的稳定承载力也是不 断降低的 最大幅度的一次下降发生在第一次失稳到第二次失稳的过程中 1990 年 aisc 和 asce 给出了一种支撑板式连接节点的设计方法 均 力法 16 17 通过均力法设计的节点板自身需满足一定的几何尺寸关系 通过这 种方法设计后节点板与梁柱的连接处不存在弯矩 力是均匀分布的 因此称为 均力法 如图 1 4 所示 通过大量的数值分析和模型实验研究发现 均力法设 计的连接节点的破坏荷载和破坏形式与预期结果最为相近 且采用均力法设计 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 4 的连接节点是最为经济的 图 1 4 均力法几何关系示意 1994 年 阿尔伯塔大学的 j j roger 通过实验和有限元软件的计算模拟研 究了节点板厚度 节点板尺寸 支撑平面外约束等因素对节点板弹性屈曲承载 力的影响 研究表明当节点板的厚度增加时 节点板的屈曲承载力随之增大 当节点板的自由边长度增加时 屈曲承载力会随之降低 文章同时还指出用 whitmore 的方法计算薄节点板的受压承载力是不安全的 18 1998 年 astaneh asl 在文章中阐述了节点板在地震作用下的工作性能并给 出了具体的设计计算方法 19 节点板在轴向力作用下的屈服承载力 ygwy fap 1 1 其中 gw a为以 30 应力扩散角计算的 whitmore 毛截面面积 节点板在轴力 弯矩 剪力共同作用下的屈曲承载力 1 42 ypy vvmmnn 1 2 节点板在支撑轴压力作用下的稳定承载力 crgwcr fap 1 3 过长的自由边会导致节点板边缘屈曲并影响节点板的延性 因此对自由边 的长度进行了限制 y fg f e t l 75 0 1 4 为了使节点板有足够的延性必须保证块体剪切破坏的承载力高于屈服承载 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 5 力 yybsn prp 11 1 5 其中 屈服抵抗系数 取 0 9 n 断裂抵抗系数 取 0 75 y r 实际屈服强度与计算得到的屈服强度的比值 对于节点板取 1 1 bs p 节点板块体剪切破坏的承载力 节点板净截面断裂时的承载力应满足 yynn prp 11 1 6 unwn fap 1 7 其中 n p 节点板净截面断裂的承载力 2002 年 j j roger 在文章中指出对于支撑受压的情况 现行的节点板设 计标准如 aisc lrfd 说明 20 和加拿大标准 csa s16 1 94 21 中给出的设计方法 并不是很理想 roger 通过实验研究了节点板的受压承载力 通过与实验结果 的对比发现 基于 45 应力扩散角的改进的 thornton 方法要优于 thornton 最早 提出的 30 应力扩散角的计算方法 文章还指出梁柱中的弯矩对节点板的极限 承载力影响不大 但会影响到节点板的平面内刚度 22 2005 年 walbridge 通过有限元模拟的方法分别研究了节点板在单向荷载 和循环往复荷载作用下的性能 文章认为加载顺序与加载方式对节点板的滞回 耗能性能影响不大 同时还指出 在循环加载过程中节点板屈曲比支撑屈曲的 耗能效果更好 23 2008 年 华盛顿大学的 jung han yoo 针对节点板直线型 2t 净距的设计方 法提出了 椭圆净距 这一概念 24 如图1 5 b 所示 通过数值模拟的方法研 究发现 在使用椭圆净距设计的净距为 6 8 t 的模型中 节点板的抗震性能 优于使用直线型 2t 净距方法设计的节点板 且通过椭圆净距方法设计的节点 板更为紧凑 对梁柱的局部应力影响更小 并且更为经济 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 6 a 2t 净距 b 椭圆净距 图 1 5 不同的节点板净距形式 2009 年 william a thornton 和 larry s muir 分析了框架变形对节点板的 挤压力作用 25 文章指出即使在支撑受拉的情况下 节点板也有可能在梁柱的 挤压作用下失稳 并给出算例说明 aisc 垂直支撑连接设计指导 26 中给出了 如图 1 6 这种形式的连接节点 受力情况如图 1 7 图 1 6 aisc 给出的连接节点 图 1 7 节点的受力分析 如果不考虑梁柱的变形 验算结果是满足要求的 但是如果考虑梁柱的 变形以及梁柱对节点板的挤压力作用后 使用 aisc 钢结构规范 27 中推荐的板 屈曲理论来验算节点板的稳定 验算结果表明节点板将在挤压力的作用下发生 失稳 可见本例中梁柱对节点板的挤压作用影响较大 不可忽视 2005 年 西安建筑科技大学的陈绍蕃教授分析研究了桁架中由于节点刚性 所引起的次弯矩效应 28 文章分析认为从强度方面考虑 桁架杆件的轴向承载 力不受次弯矩的影响 但从刚度方面考虑 次弯矩会使杆件中形成塑性铰 过 多的截面出现塑性铰可能造成桁架变形过大 因此指出强度验算时不宜完全忽 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 7 视次弯矩的影响 并给出验算公式 桁架杆件强度验算公式应取为 当0 2 ma nw 时 1 n af 1 8 当0 2 时 0 8 51 1 5 p nm afw f 1 9 取 0 2 的限值是因为文章认为不超过主应力 20 的次应力可以忽略不计 当桁架杆件为 h 型钢时 公式 1 9 变为 0 61 08 p nm afw f 1 10 当桁架杆件为正方形箱形截面时 公式 1 9 变为 0 81 13 p nm afw f 1 11 当桁架杆件上作用有横向荷载时 杆件中含有主弯矩 则公式 1 9 到公 式 1 11 的适用条件变为 0 21 w mn a 1 12 其中 m a nw m 桁架杆件中的主弯矩 m 桁架杆件中的次弯矩 系数 对工字形 h 形和箱形截面的取值分别为 0 76 0 40 和 0 67 当满足条 件式 1 12 时 用 mm 替换m带入到式 1 9 至式 1 11 中进行计 算 当不满足条件式 1 12 时 强度计算公式变为 1 0 p mn afw f 1 13 式中 系数 对工字形 h 形和箱形截面的取值分别为 0 85 0 60 和 0 80 在桁架杆件稳定计算方面 文章认为无论次应力是否超过主应力的 20 都 要对其进行验算 计算公式为 1 0 1 0 8 mxx x pxex mn afwfn n 1 14 1 0 txx ybpx mn afwf 1 15 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 8 式 1 14 为平面内稳定计算公式 式 1 15 为平面外稳定计算公式 px w为 塑性截面模量 2006 年陈绍蕃教授又在此方面做了补充性的研究 29 文章认为当桁架杆件 受拉时 杆件不会在次弯矩的作用下发生受压屈服 因此没有必要严格限制板 件的宽厚比 而对于受压的短粗杆件而言 其稳定承载力与次弯矩沿杆长的分 布情况有很大关系 在次弯矩较大的情况下 需要严格限制板件的宽厚比 2009 年哈尔滨工业大学硕士牟伟在其硕士论文中研究了板式连接节点对 支撑框架结构变形和内力的影响 30 文章指出由于节点板刚性的影响 铰接框 架梁柱节点的转动刚度会增大 使得梁柱的连接形式由铰接转变为半刚性连接 同时 节点板的存在还会使梁端产生较大的附加弯矩 附加弯矩会对节点板的 屈曲承载力产生不利影响 1 3 主要研究内容 目前国内外对于这种板式连接节点的研究多集中于支撑轴力作用下节点板 本身的强度 稳定以及耗能能力等方面 而对于节点板与梁柱之间的相互作用 则研究的较少 节点板本身具有一定的几何尺寸和刚性 在实际结构中不能等 同于理想铰 当梁柱节点在外力作用下发生转动或梁柱夹角发生变化时 梁柱 与支撑节点板间会产生相互的拉压作用 这种拉压作用会在梁柱中产生附加弯 矩 而附加弯矩会对梁柱的强度和稳定产生一定不利影响 同时 节点板对梁 柱的拉压作用还会在梁柱腹板中产生局部的附加压应力 对梁柱腹板的强度和 稳定都产生一定影响 本文将利用有限元软件分析支撑节点板与梁柱间的相互作用 主要研究工 作及思路如下 1 利用壳单元建立铰接框架模型 分析节点板厚度 节点板边长及柱轴压 比等参数对铰接框架梁柱中附加弯矩的影响规律 分析如何在验算中合理考虑 附加弯矩的影响 2 分别使用壳单元和梁单元建立刚接框架模型 对比壳单元模型与梁单元 模型梁柱中弯矩的差别 并分析节点板厚度 节点板边长及柱轴压比等参数对 刚接框架梁柱中附加弯矩的影响规律 分析如何在验算中合理考虑附加弯矩的 影响 3 分析节点板与梁柱间的作用力随框架层间侧移的发展变化规律 并分析 节点板厚度 节点板边长 柱轴压比 梁柱连接形式等因素对梁柱腹板中等效 塑性应变的影响规律 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 9 1 4 课题来源 本研究内容是国家自然科学基金面上项目 51178145 和 钢结构设计规范 国家标准管理组科研专项基金资助项目 gb500172010 20 的一部分 感谢这两 个项目的资助 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 10 第2章 节点板对铰接框架梁柱附加弯矩的影响规律 2 1 概述 本章内容主要研究铰接框架中节点板对梁柱附加弯矩的影响规律 我国 高 层民用建筑钢结构技术规程 5 中指出 柱间支撑与梁柱的连接应为刚性连接 但在计算时可按铰接方式计算 因此 在铰接框架的工程设计计算模型中 梁 柱 支撑三者之间的连接均被简化为理想铰接 在这种情况下 当框架在外力 作用下发生层间侧移时 梁柱中是不存在弯矩的 但在实际结构中 梁柱的连 接不可能是完全理想铰接 而支撑连接节点也具有一定的刚性 这些都会限制 梁柱的自由转动 并在梁柱中产生附加弯矩 对结构造成不利影响 板式连接 节点与 规程 中给出的几种传统的连接节点相比刚度较小 严格意义上讲属 于一种半刚性连接 当框架发生层间侧移时 节点板也会在梁柱中产生附加弯 矩 造成不利影响 本章将对此加以研究 本章运用有限元分析软件 ansys 建立计算模型 通过参数分析的方法 研究了铰接框架中节点板厚度 节点板边长 柱轴压比等参数对梁柱中附加弯 矩的影响规律 并给出相应设计建议 2 2 研究方法与有限元模型 2 2 1 问题的研究方法 2007 年 dawn e lehman 等人为了研究板式连接节点的抗震性能制作了一 系列单层 单跨的钢框架模型来进行试验 31 模型与试验方案如图 2 1 图 2 2 所示 本章借鉴该文献中试验模型的结构形式 边界条件以及加载方法建立了 支撑框架的有限元计算模型 通过对框架施加层间侧移以及变化相关设计参数 来研究节点板对框架梁柱附加弯矩的影响规律 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 11 图 2 1 实验模型示意图 图 2 2 实验方案示意图 2 2 2 结构模型 本章所建立的结构模型如图 2 3 所示 框架梁柱均选用工字型截面 其截 面尺寸满足我国 建筑抗震设计规范 32 对钢结构框架梁柱长细比和板件宽厚 比的要求 梁柱的连接方式为铰接 即只将梁腹板与柱翼缘相连 梁翼缘与柱 并未连接 支撑同样选用工字型截面 其截面满足美国钢结构规范 27 对特殊中 心支撑 scb 杆件长细比和板件宽厚比的要求 支撑杆件轴线与梁柱轴线夹 角均为 45 支撑腹板位于框架平面内 且支撑杆件平面外长细比大于平面内 长细比 以使支撑受压失稳的形式为平面外失稳 支撑端部通过节点板与框架 梁柱相连接 支撑与节点板的连接满足直线型 2t 净距的设计要求以使节点板有 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 12 较好的转动性能 节点板的两条自由边分别与梁柱轴线平行 本文使用 whitmore 有效宽度的方法 4 计算节点板的屈服承载力 模型中各构件的连接方 式均为焊接连接 但在有限元建模过程中并未对焊缝进行模拟 模型的边界条件 左侧柱顶端约束 x y z 三个方向的自由度 右侧柱顶 端约束 y z 两个方向的自由度 放松 x 方向的自由度 以使顶部的梁可沿轴 线方向自由变形 两个柱的底端均只约束 z 方向的自由度以限制框架的平面外 变形 加载位置为右侧柱的底端 加载方式为位移单调加载 加载位移大小为 1 50 的层高 对模型分别施加左右两个方向的位移以模拟支撑受拉和受压两种情况 加载 位置 图 2 3 结构模型简图 2 2 3 分析参数选取 为了研究节点板对框架梁柱附加弯矩的影响规律 本章分别考虑了节点板 厚度 节点板边长 柱轴压比等影响因素 具体选取分析参数如下 节点板厚 度取 8mm 12mm 16mm 20mm 四种情况 节点板边长取 400mm 500mm 600mm 700mm 四种情况 边长均指节点板与梁相连的边的长度 由于梁柱截 面高度不等 因此节点板两个边长并不相等 支撑截面尺寸根据节点板尺寸 相应配合选取 柱轴压比分别考虑 0 0 25 0 5 这三种情况 对以上各分析参 数组合后得到以下计算模型 见表 2 1 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 13 表 2 1 模型编号和参数 编组 模型编号 梁柱 连接 轴压比 节点板边 长 mm 节点 板厚 mm 支撑截面 a1 j0b400t8 铰接 0 400 350 8 h150 100 6 8 j0b400t12 铰接 0 400 350 12 h150 125 6 10 j0b400t16 铰接 0 400 350 16 h150 150 6 12 j0b400t20 铰接 0 400 350 20 h150 175 6 14 j0b500t8 铰接 0 500 450 8 h150 125 6 8 j0b500t12 铰接 0 500 450 12 h150 150 6 12 j0b500t16 铰接 0 500 450 16 h150 175 6 14 j0b500t20 铰接 0 500 450 20 h150 200 6 16 j0b600t8 铰接 0 600 550 8 h200 150 8 8 j0b600t12 铰接 0 600 550 12 h200 175 8 12 j0b600t16 铰接 0 600 550 16 h200 200 8 14 j0b600t20 铰接 0 600 550 20 h200 225 8 16 j0b700t8 铰接 0 700 650 8 h200 150 8 10 j0b700t12 铰接 0 700 650 12 h200 200 8 12 j0b700t16 铰接 0 700 650 16 h200 250 8 14 j0b700t20 铰接 0 700 650 20 h200 275 8 16 a2 j025b400t8 铰接 0 25 400 350 8 h150 100 6 8 j025b400t12 铰接 0 25 400 350 12 h150 125 6 10 j025b400t16 铰接 0 25 400 350 16 h150 150 6 12 j025b400t20 铰接 0 25 400 350 20 h150 175 6 14 j025b500t8 铰接 0 25 500 450 8 h150 125 6 8 j025b500t12 铰接 0 25 500 450 12 h150 150 6 12 j025b500t16 铰接 0 25 500 450 16 h150 175 6 14 j025b500t20 铰接 0 25 500 450 20 h150 200 6 16 j025b600t8 铰接 0 25 600 550 8 h200 150 8 8 j025b600t12 铰接 0 25 600 550 12 h200 175 8 12 j025b600t16 铰接 0 25 600 550 16 h200 200 8 14 j025b600t20 铰接 0 25 600 550 20 h200 225 8 16 j025b700t8 铰接 0 25 700 650 8 h200 150 8 10 j025b700t12 铰接 0 25 700 650 12 h200 200 8 12 j025b700t16 铰接 0 25 700 650 16 h200 250 8 14 j025b700t20 铰接 0 25 700 650 20 h200 275 8 16 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 14 表 2 1 续表 编组 模型编号 梁柱 连接 轴压比 节点板边 长 mm 节点 板厚 mm 支撑截面 a3 j05b400t8 铰接 0 5 400 350 8 h150 100 6 8 j05b400t12 铰接 0 5 400 350 12 h150 125 6 10 j05b400t16 铰接 0 5 400 350 16 h150 150 6 12 j05b400t20 铰接 0 5 400 350 20 h150 175 6 14 j05b500t8 铰接 0 5 500 450 8 h150 125 6 8 j05b500t12 铰接 0 5 500 450 12 h150 150 6 12 j05b500t16 铰接 0 5 500 450 16 h150 175 6 14 j05b500t20 铰接 0 5 500 450 20 h150 200 6 16 j05b600t8 铰接 0 5 600 550 8 h200 150 8 8 j05b600t12 铰接 0 5 600 550 12 h200 175 8 12 j05b600t16 铰接 0 5 600 550 16 h200 200 8 14 j05b600t20 铰接 0 5 600 550 20 h200 225 8 16 j05b700t8 铰接 0 5 700 650 8 h200 150 8 10 j05b700t12 铰接 0 5 700 650 12 h200 200 8 12 j05b700t16 铰接 0 5 700 650 16 h200 250 8 14 j05b700t20 铰接 0 5 700 650 20 h200 275 8 16 注 根据柱轴压比的不同将模型分为 a1 a2 a3 三组 模型编号中的第一个字母表示梁 柱的连接方式 j 表示铰接 后面的数字 0 025 05 分别表示柱轴压比为 0 0 25 0 5 字母 b 表示节点板长边边长 b 后面的数字表示节点板长边边长的数值 字母 t 表示节点 板的厚度 t 后面的数字表示节点板厚度的数值 2 2 4 单元类型 本章采用 shell181 单元来建立有限元模型 shell181 单元适合于分析中等 厚度以下的板壳结构 支持线性分析以及大扭转 大应变 变厚度等非线性分 析 其收敛性要优于 shell43 单元 33 34 图 2 4 为 shell181 单元的几何关系示意 图 图 2 5 为使用 shell181 单元所建立的有限元模型的示意图 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 15 图 2 4 shell181 单元单元几何关系示意图 图 2 5 有限元模型示意图 2 2 5 材料属性 本章模型为纯钢结构支撑框架 所有构件均采用 q235 钢 材料的屈服强 度为 235mpa 本构关系采用双线性强化模型 取 1 ee 21 0 01ee 弹性模 量 5 2 06 10e mpa 泊松比为0 3 2 2 6 初始缺陷 为使支撑杆件在受压过程中可以发生平面外失稳 需要对支撑杆件施加初 始几何缺陷 结构的初始几何缺陷可以分为两大类 35 一类是整体缺陷 如结 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 16 构的初倾斜 另一类是局部缺陷 如构件的初弯曲 本文采用给支撑杆件施加 l 1000 初弯曲的方法来模拟支撑杆件的初始几何缺陷 2 3 计算结果分析 本章运用有限元软件 ansys 对上述 48 个模型进行了计算 通过分析发现 梁柱中的最大附加弯矩均出现在节点板边缘处的梁柱截面中 如图 2 6 所示位 置 本文以下内容中所研究的附加弯矩均为这两处截面中的附加弯矩 图 2 6 梁柱中最大附加弯矩截面的位置 现以 a2 组模型为例说明梁柱中附加弯矩随层间侧移变化的规律 图 2 7 分别给出了节点板边长为 400mm 500mm 600mm 700mm 时 柱中无量纲 化附加弯矩随层间侧移变化的关系曲线 图中横坐标为加载位移的绝对值 纵 坐标为无量纲化附加弯矩 c b p c b m m 其中 c b m为梁柱中的附加弯矩 p c b m为 梁柱的塑性铰弯矩 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 17 0102030405060708090 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 无量纲化附加弯矩 层间侧移 mm j025b400t8 j025b400t12 j025b400t16 j025b400t20 0102030405060708090 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 无量纲化附加弯矩 层间侧移 mm j025b400t8 j025b400t12 j025b400t16 j025b400t20 a 节点板边长 400mm 支撑受压 b 节点板边长 400mm 支撑受拉 0102030405060708090 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 无量纲化附加弯矩 层间侧移 mm j025b500t8 j025b500t12 j025b500t16 j025b500t20 0102030405060708090 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 无量纲化附加弯矩 层间侧移 mm j025b500t8 j025b500t12 j025b500t16 j025b500t20 c 节点板边长 500mm 支撑受压 d 节点板边长 500mm 支撑受拉 0102030405060708090 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 无量纲化附加弯矩 层间侧移 mm j025b600t8 j025b600t12 j025b600t16 j025b600t20 0102030405060708090 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 无量纲化附加弯矩 层间侧移 mm j025b600t8 j025b600t12 j025b600t16 j025b600t20 e 节点板边长 600mm 支撑受压 f 节点板边长 600mm 支撑受拉 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 18 0102030405060708090 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 无量纲化附加弯矩 层间侧移 mm j025b700t8 j025b700t12 j025b700t16 j025b700t20 0102030405060708090 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 无量纲化附加弯矩 层间侧移 mm j025b700t8 j025b700t12 j025b700t16 j025b700t20 e 节点板边长 700mm 支撑受压 f 节点板边长 700mm 支撑受拉 图 2 7 柱中附加弯矩随层间侧移的变化规律 由图可见 无论是在支撑受压还是在支撑受拉的情况下 曲线的发展变化 规律基本类似 随着层间侧移的增大 柱中的附加弯矩也随之逐渐增大 在位 移加载初期曲线的斜率较大 柱中附加弯矩的增长速度较快 当层间侧移增大 到一定程度时曲线发生弯折 附加弯矩的增长速度放缓 出现了较明显的非线 性特征 梁中附加弯矩随层间侧移变化的规律也于此类似 我国 建筑抗震设计规范 32 与 高层民用建筑钢结构技术规程 5 要求 对建筑结构进行多遇地震作用下的承载力和变形的双重验算以及罕遇地震作用 下的变形验算 因此我们更关心的是结构达到弹性极限状态和最大变形限值时 梁柱中附加弯矩的情况 支撑受压失稳或受拉屈服是结构达到弹性极限状态的 标志 结构达到弹性极限状态时的位移可以通过加载的荷载位移曲线得到 荷 载位移曲线出现拐点即说明支撑发生了受压失稳或受拉屈服 此时的位移就是 结构弹性极限状态的位移 变形验算方面 我国 高层民用建筑钢结构技术规 程 5 对结构弹性阶段层间侧移角的限值是 1 250 对结构弹塑性阶段层间侧移 角的限值是 1 70 提取结构达到弹性极限状态以及 1 250 和 1 70 层间侧移角时 梁柱中的无量纲化附加弯矩值 见表 2 2 表 2 3 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 19 表 2 2 模型柱中无量纲化附加弯矩值 编组 模型编号 支撑受压 支撑受拉 弹性 极限 层间侧 移角为 1 250 层间侧 移角为 1 70 弹性 极限 层间侧 移角为 1 250 层间侧 移角为 1 70 a1 j0b400t8 0 084 0 323 0 667 0 315 0 302 0 594 j0b400t12 0 118 0 334 0 740 0 328 0 314 0 661 j0b400t16 0 159 0 330 0 792 0 326 0 309 0 710 j0b400t20 0 197 0 334 0 839 0 338 0 320 0 728 j0b500t8 0 106 0 327 0 699 0 306 0 277 0 605 j0b500t12 0 159 0 327 0 785 0 322 0 297 0 665 j0b500t16 0 188 0 333 0 854 0 328 0 304 0 715 j0b500t20 0 224 0 335 0 894 0 342 0 314 0 715 j0b600t8 0 117 0 319 0 726 0 276 0 259 0 590 j0b600t12 0 178 0 331 0 839 0 294 0 279 0 662 j0b600t16 0 224 0 336 0 904 0 328 0 317 0 716 j0b600t20 0 257 0 330 0 925 0 345 0 332 0 691 j0b700t8 0 140 0 324 0 287 0 272 0 596 j0b700t12 0 212 0 337 0 887 0 317 0 304 0 686 j0b700t16 0 261 0 339 0 334 0 325 0 679 j0b700t20 0 304 0 316 0 921 0 350 0 341 0 638 a2 j025b400t8 0 058 0 317 0 662 0 329 0 314 0 613 j025b400t12 0 082 0 326 0 734 0 331 0 315 0 646 j025b400t16 0 125 0 332 0 793 0 314 0 299 0 657 j025b400t20 0 164 0 334 0 837 0 368 0 356 0 651 j025b500t8 0 067 0 319 0 695 0 299 0 281 0 599 j025b500t12 0 122 0 328 0 787 0 316 0 303 0 636 j025b500t16 0 163 0 333 0 853 0 337 0 327 0 641 j025b500t20 0 208 0 332 0 894 0 343 0 327 0 600 j025b600t8 0 089 0 322 0 730 0 282 0 266 0 580 j025b600t12 0 151 0 316 0 782 0 317 0 308 0 613 j025b600t16 0 190 0 306 0 852 0 339 0 329 0 597 j025b600t20 0 239 0 313 0 883 0 356 0 344 0 553 j025b700t8 0 112 0 326 0 768 0 293 0 280 0 582 j025b700t12 0 171 0 324 0 851 0 321 0 309 0 609 j025b700t16 0 240 0 308 0 884 0 348 0 339 0 533 j025b700t20 0 291 0 271 0 889 0 356 0 347 0 487 a3 j05b400t8 0 021 0 309 0 621 0 299 0 281 0 511 j05b400t12 0 056 0 305 0 654 0 318 0 302 0 508 j05b400t16 0 100 0 310 0 700 0 340 0 327 0 603 j05b400t20 0 141 0 311 0 735 0 347 0 341 0 417 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 20 表 2 2 续表 编组 模型编号 支撑受压 支撑受拉 弹性 极限 层间侧 移角为 1 250 层间侧 移角为 1 70 弹性 极限 层间侧 移角为 1 250 层间侧 移角为 1 70 a3 j05b500t8 0 051 0 310 0 649 0 311 0 297 0 505 j05b500t12 0 096 0 306 0 697 0 324 0 317 0 465 j05b500t16 0 137 0 310 0 745 0 326 0 322 0 402 j05b500t20 0 175 0 309 0 777 0 318 0 317 0 362 j05b600t8 0 060 0 300 0 652 0 289 0 277 0 459 j05b600t12 0 114 0 309 0 732 0 311 0 308 0 393 j05b600t16 0 176 0 293 0 763 0 319 0 312 j05b600t20 0 205 0 304 0 800 0 283 0 286 0 292 j05b700t8 0 071 0 303 0 680 0 300 0 291 0 441 j05b700t12 0 144 0 313 0 760 0 309 0 308 j05b700t16 0 232 0 316 0 781 0 285 0 288 j05b700t20 0 262 0 317 0 822 0 262 0 268 表 2 3 模型梁中无量纲化附加弯矩值 编组 模型编号 支撑受压 支撑受拉 弹性 极限 层间侧 移角为 1 250 层间侧 移角为 1 7