文档介绍：同济大学土木工程学院
博士学位论文
薄柔钢框架刚性端板连接节点的设计方法
姓名:王素芳
申请学位级别:博士
专业:结构工程
指导教师:陈以一
20070801
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形件、有加劲渭秃车姘宓腡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善,通过参数分析拟合出不同节点构造下善的近似提供了支持。
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,还给出徒诘愠跏几斩鹊募蚧扑惴椒ā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。关键词:端板连接,薄柔钢框架,刚性节点设计,初始刚度,渭榧ǎ刚度系数摘要Ⅱ。
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厶也以‰‰钿搿搿腧海ヒ岳贓白%厂石矗Ⅲ主要符号和术语梁截面面积柱截面面积螺栓杆的有效截面积柱腹板补强板的截面积柱腹板截面积节点域柱腹板的有效截面积节点域柱腹板的截面积端板宽度梁翼缘宽度柱翼缘宽度螺栓公称直径螺栓孔径弹性模量螺栓中心至梁翼缘板或渭拱灞砻娴木嗬螺栓中心至梁腹板或渭泳灞砻娴木嗬钢材的抗拉强度设计值钢材的屈服强度钢材的极限强度钢材的抗剪强度设计值粱端荷载试验中上、下千斤顶所施加的梁端荷载背垫板的宽度含背垫板渭囊碓档刃Э矶
%瓦≮妊写磁‘厶#蹋七剪切模量梁截面高度柱截面高度梁腹板高度柱腹板高度梁、柱的线刚度框架某层顶上所有梁的线刚度平均值框架某层所有柱的线刚度平均值粱截面惯性矩柱子前、后翼缘的截面惯性矩截面剪应力分布不均匀系数受弯端板的初始刚度受弯柱翼缘的初始刚度受剪节点域的初始刚度有加劲渭某跏几斩单个螺栓的轴向刚度单个螺栓周围被压紧板件的刚度弹簧单元的轴向刚度节点的初始转动刚度节点刚度的无量纲参数弹簧单元的初始刚度螺栓的有效长度梁的长度‰‘、柱高渭某跏几斩主要符号和术语
帆,,帆:%浴嚣啦Ⅶ~渭新菟ㄖ行牡礁招郧虮咴档木嗬即计算模型中弹簧支座到外力之间的距离渭新菟ㄖ行牡礁拱灞砻娴木嗬同节点两侧梁端弯矩设计值节点弯矩全截面屈服弯矩端板螺栓群的抗弯承载力设计值试验中节点所受的极限弯矩梁截面的抗弯承载力设计值梁、柱截面的塑性抗弯承载力设计值节点受拉区螺栓群的抗弯承载力设计值节点受拉区端板的抗弯承载力设计值节点受拉区柱翼缘的抗弯承载力设计值节点抗弯承载力设计值节点域柱腹板的抗弯承载力设计值无量纲化后的截面弯矩弹簧支座对应的栓板单元个数,构件轴压比龈咔慷嚷菟ǖ目估性亓ι杓浦螺栓的设计预拉力翼缘宽厚比腹板高厚比背垫板厚度端板厚度梁翼缘厚度柱翼缘厚度含背垫板渭囊碓档刃