基于ansys分析的钢框架半刚性连接节点受力性能研究

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分类号：卫堕丛UDC：．．．．．．．．．．．．．．．．．．——工学硕士学位论文密级：公珏单位代码：!垒Q2鱼基于ANSYS分析的钢框架半刚性连接节点受力性能研究作者姓名指导教师申请学位级别学科专业所在单位授予学位单位梁志鹏左咏梅工学硕士结构工程土木学院河北工程大学 ADissertationSubmittedtoHebeiUniversitvofEngineeringFortheAcademicDegreeofMasterofEngineeringStudyontheperformanceofsemi‘-rigidcinnectionnodesteeIframebasedonansysanalysisCandidateSupervisorAcademicDegreeAppliedforSpecialtyCollege／DepartmentLiangzhipengZuoyongmeiMasterofEngineeringStructureEngineeringCollegeofCivilEngineeringHebeiUniversityofEngineeringApril，2014 独创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得塑皇堡王堡太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：粱志，鲷鸟签字日期：卫件年‘月K日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解塑!垦王堡盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权煎j堡兰堡盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：糕鸸导师签名：声舫签字日期：叫lfl年‘月2‘日签字日期：2。7牛年占月2二目 摘要本文对钢框架外伸端板连接节点的受力影响因素进行分析，分析梁柱外伸端板连接节点的各组件几何尺寸改变时，对该节点的初始转动刚度、极限弯矩及极限转角的影响。研究对象取自钢框架在侧向荷载作用下的典型梁柱连接单元。采用大型有限元分析软件ANSYS对钢框架外伸端板连接节点进行分析，首先建立一个base模型作为比较对象，然后考虑当外伸端板连接节点的端板厚度、螺栓直径、螺栓排距及梁截面高度发生改变时，与base模型相比其他节点模型的初始转动刚度、极限弯矩及极限转角的改变量。得出相关结论如下：当端板厚度≤16mm时，增大端板厚度对半刚性节点的极限弯矩承载力和转动刚度的提高比较显著，当端板厚度为20ram时，提高端板厚度则对半刚性节点极限弯矩承载力和转动刚度的提高不太显著。螺栓直径较小幅度的增大对提高半刚性节点的极限弯矩承载力、转动刚度、极限转角不是明显；只有增大的幅度较大时，即从20ram增大到24ram时，半刚性节点的极限弯矩承载力、转动刚度、极限转角的提高才比较显著。螺栓间距由110ram减小到90ram时，半刚性节点A5极限弯矩承载力与Base相比提高6％，转动刚度提高11％，极限转角提高11％；当螺栓直径由110增大到130ram时，半刚性节点A6的极限弯矩承载力与Base相比降低6％，转动刚度降低14％，极限转角降低19％：减小螺栓间距对提高半刚性节点的转动刚度和极限转角的提高明显。增大梁截面高度虽然可以大幅度提高半刚性节点的转动刚度和极限弯矩承载力，但是却降低了节点的延性，因此在实际工程中并不能一味增加梁截面高来提高半刚性节点的极限弯矩承载力和转动刚度，应该兼顾节点的延性。关键词：钢框架端板连接节点：极限转角；极限弯矩；初始转动刚度 AbstractInthispaper，stressfactorsoutsidethesteelflameextendedendplateconnectionnodesforanalysis，analysisofeachcomponentbeamsextendedendplateconnectionsgeometrychange，theinitialrotationalstiffnessofnodes，theultimatemomentandultimatecomeraffected．Theobjectsarethesteelbeamsundertheframeworkofthetypicallateralloadscolmectedunit．UsingfiniteelementanalysissoftwareANSYSoutersteelflameextendedendplateconnectionsforanalysis，firstcreateabasemodelasacomparison，thenconsidertheextendedendwhentheendplatethicknessplateconnections，boltdiameter，boltrowspacingandbeamwhensectionheightchange，comparedwiththebasemodelofthechangeintheinitialrotationalstiffnessoftheothernodesofthemodel，theultimatemomentandultimatecomer．DrawrelevantconclusionsareasfoIlows：WhentheendplatethicknessS16mm，increasingtheultimatemomentcapacityandrotationalstiffnessimprovedendplatethicknessofsemi—rigidnodesmoresignificantwhentheplatethicknessis20mm，thethicknessoftheendplatetoimprovethesemi-rigidnodesultimatemomentcapacityandrotationalstiffnessislesssignificant．Boltdiametersmalleramplitudeincreasestoimprovethesemi—rigidnodesultimatemomentcapacity，rotationalstiffness，extremecomerisnotobvious；bigmarginonlyincreased，thatincreasesfrom20ramto24mm，semi—rigidnodesultimatemomentcapacity，rotationalstiffness，improvetheultimatecomerisratherremarkable．Boltspacingdecreasedfrom10mmto90mm．thesemi—rigidjointsA5ultimatemomentcapacityincreasedby6％comparedwiththeBase．rotationalstiffnessimprovedby11％，11％limitofthecomer；Whentheboltisincreasedfrom110to130mmindiameter．thesemi—rigidnodesA6ultimatemomentcapacityreducedby6％comparedwiththeBase，rotationalstiffnessreducedby14％，19％lowerlimitofthecomer；reduceboltspacingimprovedsemi-rigidnodestoimprovetherotationalstiffnessandultimatecomerobvious．Althoughincreasingtheheightofthebeamcross—sectionsemi—rigidjointscangreatlyimprovetherotationalstiffiaessandultimatemomentcapacity，butreducestheductilityofnodes，SOtheactualprojectandnotblindlyincreasethehighbeamsection Abstracttoincreasethelimitofcurvedsemi—rigidnodesmomentcapacityandrotationalstiffness，ductilitynodeshouldtakeintoaccount．Keywords：Steelframeendplateconnections；Limitcomer；Ultimatemoment；TheinitialrotationalstiffneSSV 目录摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯IAbstract⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯．⋯．．．⋯．⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯．⋯．⋯⋯．．III第1章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．11．1课题背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11．2国内外半刚性节点的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11．2．1半刚性节点的试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一21．2．2半刚性节点的理论研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．31．3阅读文献过程中发现的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．51．4国内外对连接的分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6第2章半刚性连接的理论及研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯92．1半刚性连接类型和构造形式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．92．1．1单角钢腹板连接⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．92．1．2腹板双角钢连接⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯102．1．3矮端板连接(内缩端板连接)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯102．1．4顶底角钢连接⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯102．1．5端板连接⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯102．1．6短T型钢连接⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯102．1．7顶底角钢双腹板连接⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯112．2半刚性连接M瑚，曲线的特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯112．3半刚性连接的M—or曲线数学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯122．3．1线性模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯122．3．2多项式模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯132．3．3B样条模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．142．3．4幂函数模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯152．3．5指数型函数模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯172．4半刚性连接的研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯192．4。1试验测定法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯192．4．2曲线数值拟合法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯192．4．3塑性分析方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯20 目录2．4．4解析法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯202．4．5有限单元法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯21第3章钢框架半刚性端板连接节点的理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．233．1引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯233．2半刚性节点的转动刚度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯233．2．1半刚性连接节点的初转动刚度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯233．2．1外伸端板连接的初始转动刚度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯243_3半刚性连接对结构内力的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯253．4半刚性连接对结构弹性分析的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯273．5高强螺栓外伸端板连接的理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯303．5．1对端板连接的刚性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯303．5．2对端板连接的弹塑性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯313．5．3端板连接塑性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3l3．6外伸端板节点的焊缝计算、抗剪承载力及构造要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯333．6．1外伸端板的梁端焊缝计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯333．6．2高强螺栓的构造要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯333．6．3连接节点抗剪承载力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯36第4章ANSYS分析结果与试验结果对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯394．1概{仑⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．394．2ansys分析时的注意事项⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．394．2．1材料本构关系的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯394．2．2选择单元⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯404．2．3结算结果的收敛性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯404．3连接节点的几何非线性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯404．4材料非线性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯424．5．1试验概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯434．5．2试验加载方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯444．5．3有限元模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯454．5．4结果对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯45第5章外伸端板半刚性连接节点的有限元分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．475．1概论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．475，2建立有限元模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯475．2．1试件尺寸⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯475．2．2几何模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯48 目录5．2．3ansys的前处理过程⋯⋯⋯⋯结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一作者简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一III铝钞矾∞鲫 第1章绪论1。1课题背景我国正在大力发展钢结构的产业化，发展以标准化、系列化、节能化，以专业化、社会化生产和商品化供应为基本方向的钢结构现代化体制，加之经济的发展和科学技术的提高，我国钢产量也飞速增加跃居世界前列，基于上述原因使得钢结构在建筑领域飞速发展成为必然。而且钢结构相比其他形式的结构具有优越性如施工周期短，施工不受季节影响；钢材本身是最接近各向同性材料，受力性能较其他材料具有很大的优势；抗震性能好；施工对环境造成的污染和影响较小。然而，钢结构也有一定的缺陷，即在国内外的地震中，大批的焊接钢框架梁柱节点的脆性破坏，给人们造成巨大损失。使人们认识到焊接的刚性梁柱节点抗震的缺陷，因此迫切需要发展延性良好且能有效抵御地震作用的节点类型。端板连接作为典型的半刚性连接因其施工简单方便，受力性能良好而广泛应用于工程实践，但是节点的半刚性不仅会对钢框架梁柱的弯矩分布产生影响，而且还会对钢框架结构的位移、整体强度和稳定性带来很大影响，因此为r保障结构的安全性、耐久性、适用性，就需要考虑半刚性梁柱连接节点所具有的特殊受力性质及半刚性连接节点对结构整体效应产生的影响。尽管新修订的《钢结构设计规范》(GB50017．2003)提到了半刚性连接，但是规范并没有提出有关这类结构分析和设计的具体准则，也没给出考虑这类节点存在时对结构的整体受力和变形的影响。本文采用大型有限元分析软件Ansys，对端板厚度、螺栓直径、螺栓排距、梁截面高度等影响连接节点半刚性的因素进行分析，以确定各个因素对半刚性节点受力性能的影响程度。1．2半刚性节点的研究现状对半刚性节点的研究现状进行分析可知，国内外对半刚性连接的研究分两个方向：一个方向是关于半刚性连接计算方法的探讨，主要是试图构建半刚性节点的计算模型，对计算模型的要求是既能让工程人员易学易会又符合工程实际；另外一种研究方向是通过试验来研究半刚性节点的受力性能，分析其受力机理，最后对带有半刚性节点的结构进行整体效应分析，分析结构中半刚性节点对结构的影响，借此来指导具体工程实践。半刚性连接在受力特征上介于刚接和铰接，一般 河北工程大学硕士学位论文用于钢框架的梁柱连接，既能承受一定的弯矩又能在相连的梁柱间发生相对转动。基于半刚性连接的上述特性，可以使钢框架梁柱节点受力更趋于合理，从而达到经济和安全的目的。另外如果半刚性连接节点的构造合理，可以使梁柱连接节点的延性得到大幅度的提高，使梁柱节点滞回曲线更加饱满，从而使得具有半刚性节点的钢框架结构体系能在地震作用下表现出较好的变形能力。由于半刚性连接节点对钢框架结构受力和变形性能的改善，因此国内外学者展开了对半刚性连接节点受力机理的研究。1．2．1半刚性节点的试验研究在1990年LeonE1l对结构体系为一层两跨框架结构进行荷载试验．试验过程中同时考虑重力和水平荷载对结构的影响，该试验模型的几何尺寸为7．824m跨，3．962m层高．1993年Jarrett、Lennon[2)对结构体系为单层单跨的钢框。，进行了试验研究，对该试验模型的加载方式为做单调加载，试验的钢框架结构的几何尺寸为7m跨，3．45m高，其中框架梁尺寸为305×165mmUB40，钢柱的尺寸为203×203mmUCS21996年Lil3]对结构体系为空间组合钢框架，且该该框架具有半刚性连接节点，而且几何尺寸为足尺的模型进行加载试验。该实验的模型分两个平框架，分别在柱的强轴方向和弱轴方向与梁连接。其中一框架为双层半双跨，另外的框架为两跨两层，其中框架的跨为4．953m，层高为3．6m，楼板的有效宽度为1000mm，厚度为110mm，钢梁254×102mmUB25，钢柱为203×203mmUC46宗周红【4l对结构体系为组合框架的结构进行了拟动力试验研究。该试验的柱采用钢管混凝土，楼盖采用组合楼盖，且该结构的节点形式是半刚性连接，对具有半刚性连接节点的组合框架结构受动力荷载作用的动力效应、滞回性能和能量耗散特性做了研究。四川省建筑科学研究所、成都市建筑设计院和四川省建十二公司(1986)(sl提出了一种新颖框架结构建筑体系，将纵向框架连接由铰接连接改为半刚性形式的连接，对结构在静力、动力方面都做了比较系统的试验和研究。管克俭【6|、王新武【7】、孙犁【8】等人做，两榀连接为半刚性的钢框架平面在低周反复荷载试验，该实验模型的结构形式单跨两层，且该模型相同的两榀框架在梁柱节点处都采用顶底角钢双腹板角钢连接，梁截面采用H200X100×6×8mm，该缩尺模型为2．4m跨，柱截面采用H1SO×150×7×10mm，层高1．4m。加载方式为恒载，加荷方向为竖向施加，且在该模型的顶部施加横向的低周反复荷载。 第l章绪论2005年周学军【9】则对梁柱节点为半刚性连接钢框架进行静载试验研究分析。研究具有半刚性节点的钢框架在静载下的极限承载能力。该试验模型的结构体系是单跨双层的平面钢框架结构，梁柱均为焊接的H型钢，具体截面尺寸H200×150×6×8mm，梁柱节点均采用双腹板顶底角钢连接，螺栓采用10．9级M16和M20摩擦型两种类型。2008年完海鹰，郑晓清【10】制作了一座缩尺比例为1：2半刚性节点钢框架的试验模型。该模型的进深和开间尺寸均是2．2m，层高均相同为1．6m。梁柱均采用焊接H型钢，梁端与柱翼缘采用不等边角钢连接，而梁腹板与柱翼缘采用等边角钢。根据双腹板项底角钢的受力性能对钢框架整体效应的影响，来确定试验模型的尺寸。对该模型同时进行了整体结构在动力荷载作用下的反应，分析了半刚性节点的钢框架在动力荷载作用下的受力性能。对上述具有半刚性连接节点的钢框架试验成果可做如下总结：节点的柔度对处在弹性阶段的钢框架的内力和变形的影响较大，而对钢框架整体结构的极限弯矩承载力影响较小；半刚性连接屈服后的节点刚度对钢框架结构的整体位移影响较大，而节点屈服后的刚度则对钢框架结构的极限弯矩承载力影响不大。半刚性连接钢框架一般情况下要产生很大的变形后才达到极限承载力，这其实与钢材的高强、能承受较大塑性变形的性能相关，对于有侧移比较大的半刚性钢框架结构，在结构分析时必须要考虑二阶效应对结构带来的不利影响；半刚性连接钢框架比较容易实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标；半刚性连接的钢框架结构侧移和弯矩分布受到作用时会呈现出明显的非线性特点，因此带来的问题是把节点简化为刚接或铰接都会对分析和试验结果带来较大误差。1．2．2半刚性节点的理论研究现状Pippard【11】和Rathbum[12]对具有半刚性连接节点的钢框架的连接刚度做了研究。假定梁柱节点处于弹性应力状态，参照倾角一挠度曲线对该钢框架进行分析研究。假定梁柱节点为半刚性连接的钢框架在荷载作用下的弯矩一转角曲线，在某一加载区问内具有线性特性，即认为半刚性节点在从加载开始到结束的过程中节点的刚度值可用节点的初始切线刚度来近似表示。Lightfootlll3]通过对节点形式为刚性连接的钢框架单元的刚度矩阵进行修正，即对刚性连接的钢框架单元矩阵乘以一个修正矩阵，进而表示半刚性连接钢框架单 河北工程大学硕士学位论文元矩阵，以达到考虑半刚性连接对钢框架单元刚度矩阵影响的目的，并建立钢框架的倾角一挠度方程，最后利用计算机程序对节点形式为半刚性连接的平面钢框架进行弹性分析，得到半刚性连接节点对钢框架整体受力性能的影响。Frye和Morrisll4]对半刚性连接节点的弯矩一一转角关系曲线，采用多项式形式的数学模型来表达，运用迭代求解的方法确定节点形式为半刚性连接的单元刚度矩阵，同时也对节点形式为半刚性连接的钢框架单元刚度矩阵和固端力向量作了进一步修正，且对钢框架中存在半刚性连接节点的情况进行了弹性分析。Goto[·s]对节点形式为半刚性连接钢框架，在处于线弹性屈曲的应力状态下进行分析研究，最后通过连接节点在线弹性屈曲荷载作用下来确定柱的计算长度。Barakat和Chen【，6J对具有半刚性连接节点的钢框架以计算机程序进行模拟和分析。Bhatti和Hingtgen[17】对节点形式为半刚性连接的钢框架，假定节点的应力状态简化为弹塑性应力状态，进而对钢框架做了模拟分析，最后得到节点形式为半刚性连接对于有侧移钢框架的受力性能影响。Chen和Kishi{Zsl以二阶非弹性作为分析方法对节点形式为半刚性连接钢框架采用进行分析研究。Wong[191I贝,lJ对具有半刚性连接节点的组合框架，在无侧移的情况下提出简化梁线模型。该模型的特点是对半刚性连接节点处，在正负弯矩区作用下的组合梁采用不同刚度，建立组合梁的两端、跨中弯矩方程和挠度方程。陈国栋【20】对半刚性连接钢框架进行二阶弹性分析。王燕等【21Hzs】进行了以循环荷载的加载方式作用在具有半刚性连接节点试验研究。刘小强【24】结合梁柱理论的分析方法和塑性铰方法对节点形式为半刚性连接的钢框架进行了分析，再综合运用矩阵分析最后推导节点形式为半刚性连接的梁柱单元切线刚度矩阵，并采用弹塑性分析方法对结构整体进行了分析研究。徐伟良【2sl采用经典的梁柱分析法与有限单元法，基于有限变形理论和最小势能原理，建立梁柱处于塑性应力状态的单元刚度矩阵表达式，最后对节点形式为半刚性连接钢框架进行二阶弹塑性分析。在半刚性连接钢框架在动力荷载作用方面的研究，K．s．Sivakumaran[261以一个多层钢框架为例，采用双线性的数学模型来近似模拟该多层框架在静力和动力作用下的反应。主要揭示了半刚性节点在动力荷载和静力荷载作用下对结构整体性能的影响。分别计算出多层钢框架在静力和动力作用下，半刚性连接对钢框架结构的层间位移和转角、弯矩包络图、整体刚度等的影响，最后框架结构静力作用下4 第1章绪论的结论是：节点的半刚性性会导致结构的刚度和强度降低，而动力作用下的结果：半刚性会导致结构的位移反应变大。SiuLaiChanl271贝lJ对两端带有半刚性节点的梁单元采用两端带弹簧的梁单元来近似替代，并对门式刚架结构在动力荷载作用下的效应进行了研究分析。MarwanN。Nager[28)’[29l对半刚性连接钢框架进行了振动台试验，试验表明：节点为半刚性连接的钢框架比节点为刚接的钢框架的抗震性能优越，相LLI习U接点而半刚性节点的非线性会改善结构的延性。李国强【30】采用Bounding--line对半刚性连接节点在动力荷载作用下的受力性能进行了研究分析，推导出了节点形式为半刚性连接的粱单元，在动力荷载作用下的单元刚度方程。孔修礼【31】对节点形式为半刚性连接的钢框架，进行了加载方式为动力荷载的分析，以连续弹性体的自由度为无穷多为理论依据，最后提出节点形式为半刚性连接的钢框架在动力荷载作用下的自振频率计算表达式，综合考虑梁柱线刚度比和梁节点刚度比值两者对结构自振周期的影响。在稳定性方面Lui[32]提出了一个简化程序来计算柱的有效长度系数。Barakat和Chenl33]研究无支撑框架的梁线理论和有支撑框架的塑性转角，最后用连接节点的割线刚度对刚度系数修正。Goto[3nI研究节点模型不同及荷载形式相异的情况下，半刚性连接节点对钢框架的稳定性能。陈骥【35】，陈绍蕃136]对节点形式为半刚性连接钢框架的稳定性做了研究分析。分两种情况讨论了当梁固定在柱上端和梁固定在柱下端时，对结构稳定性的影响，且对横梁线刚度之和与柱线刚度之和的比值做了修正。崔晓强【37l对节点形式为半刚性的框架一支撑结构，进行了稳定性研究，得到柱计算长度系数的表达式。1．3阅读文献过程中发现的问题通过阅读文献，可发现我国对半刚性节点的研究相比国外起步晚，对半刚性节点的分析方法和研究成果是以国外的研究为基础的，同时国外的研究水平存在一定的差距。如下：对半刚性节点分析时，考虑影响半刚性节点性能的因素比较少；没有同时考虑几个因素共同作用；试验数据不够丰富，半刚性节点的复杂性决定了研究其共性需要以大量的试验为依据；建立模型分析时，采用的假定，极有可能影响到整个结果的正确性与实用性；所有的研究成果没有形成一个完善的理论体系来指导工程实践。 河北工程大学硕士学位论文1．4国内外对连接的分类钢框架结构的连接基本方式就是梁柱连接，而决定钢框架结构整体的受力性能则在很大程度上依赖梁柱之问的连接。国外对具有半刚性连接钢框架的研究开比较早，同理论基础相对完善。欧洲规范EC3(1992)[SSl根据钢框架是否有侧移将钢框架连接分为：(1)刚性连接(Rigid)；(2)半刚性连接(Semi-rigid)；(3)铰接(Flexible)并依据其受力性能做出定量的规定，并给出具体图像作为分类标准。如图(1-1)示，曲线分为三段，分别对应着弹性阶段、弹塑性阶段和塑性阶段的弯矩和转角之间关系。瞻万一b无f81I|移抠架a行侧移眶架图卜1欧洲规范对框架连接的分类Figure1-1TheEuropeannormsforclassificationframeworkconnection图中x方向坐标歹=8EI／埘．面=M／M．为y方向坐标；，一梁的截面惯性矩；L一梁的计算跨长；MP一梁的塑性弯矩；M一连接处截面的弯矩；口一为连接处截面与M对应的转角。按照初始转动刚度来分类：刚性接K。兰k。EI．／1。；半刚性连接0．5EI。0，b>0。总得来说，二参数模型能很好地代表M一谚特性，但是如果要求得到较高精度的结果，那么该表达式就不太适用。Colson和Louveaun“采用有三个参数幂函数表达式，该式适用于处在弹塑性应力一应变状态下的模型，具体表达式如下：目：—M—．———L(2．4)Rb1．(M／M。)“式中，M。一节点处的极限弯矩承载力(即M’p曲线上的斜率为零处)；民一连接的初始刚度；n—M．谚拟合幂函数曲线所采用的形状参数。该模型仅需心、M”刀三个参数。与Ba条模型相比，三参数模型的精度有所降低，但相对于其他模型，所需的数据却有所减少。Kishi和Chert(1990)n加提出的幂函数模型与三参数模型大体相似，表达式如下：9：一M．———』一(2—5)Rl【f|-l一(M／M。)”r式中，M。一连接的极限弯矩承载力(即M一只曲线上的斜率为零处)；民一连接的初始刚度；n—M—只曲线的形状参数。上述两个模型中，民、M¨玎是确定曲线形状的限制值，，z为M·够的形状参数，主要是调整M—p图中，连接初始刚度与极限弯矩相交部分的过渡曲线，能使曲线更加平滑，该值通常是需用拟合方法来确定。总体来说以上两个模型形式简单直观，应用也方便，但是精度不如B样条模型，不适用于M．p曲线在最后加载阶段不呈现平坦形状的情况。 河北工程大学硕士学位论文表2—2不同连接类型的形状参数取值Tab．2-2Shapeparametersofdifferenttypesofconnections为了能表示出M一肆曲线下降部分，Ang和Morris¨们依照经过标准化处理的Ramberg—Osgoodn胡函数，把三参数幂函数三参数模型改进为一个幂函数四参数模型，其形式为：南=焉[1+(嵩门协6， 第2章半刚’|生连接的理论及研究方法式中，(p)。、(xM)。、甩一如图2—4所定义的参数；K一按几何尺寸定义与连接类型有关的标准化常数。肛阿Ki-Kp心口(2．7)[1+[学门一式中，M一相应节点处的弯矩值：M。一相应连接节点的参考弯矩；K一为连接节点的初始刚度；K。一为节点应变强化刚度(最终段曲线的渐进线斜率)；曰一为连接转角；以一一为曲线的形状参数。2．3．5指数型函数模型Lui、Chen。埘建立的指数函数模型中总共包含有三个未知参数，该模型适用范围包括项底角钢和双腹板项底角钢连接，用三参数指数函数模型来表达两者的的弯矩一转角(M一只)特性比较精确，表达式如下： 河北工程大学硕士学位论文扣№十剐弘8，式中，M。一理想的弹塑性弯矩；n--Mp．曲线的形状参数；eo一参考转角(哦=M。／代，吃为连接的初始刚度)。Tee、Melchers。”1为描述高强螺栓端板连接的非线性弯矩转角特性，提}h四参数指数模型，其形式为：叫·唧[掣产]]陋哪式中，M。一高强螺栓端板连接的塑性弯矩承载力；心一节点初始连接刚度：R,p一连接应变硬化刚度；c一控制M—or曲线斜率的常数；M，、R“、＆一用解析法求出；C一根据过去对实验数据进行曲线拟合的经验来校准确定的。Lui和Chen后来提出了一个多参数的指数模型：膨=芝G(1万川／2石)+M。+KplO,I(2—10)式中，c，一曲线拟合常数；口一标量系数；Mo一对曲线进行拟合而得到节点的连接初始弯矩；K。一连接的应变强化刚度。为保证数值计算的稳定，取K。为连接的应变强化刚度。三参数指数函数模型与三次B样条模型有着相同的精确度，但如果M—or曲线的改变幅度较大时，该模型的精确度下降程度比三次B样条模型要严重。之后在I．ui和Chen的指数模型基础上，Kishi和Chen对模型做出改进，建立了能够适应M—Or曲线斜率急剧变化的模型，表达式为：M=艺q(1虿⋯2厄)+％+窆D。(p一仇)日[9一吼】(2-11)式中，Dk一确定曲线线性部分的参数； 第2章半刚性连接的理论及研究方法晚一起始转角为曲线线性部分；H[x]--Heaviside阶梯函数，当z≥0时为l，当x<0时为0。2．4半刚性连接的研究方法从1930年起，科学家注意到半刚性连接节点具有非线性，接着对其非线性特性进行大量研究，并取得大量成果。从对半刚性连接节点的研究方法分类，主要有试验和理论研究。由于半刚性连接节点的构造复杂多变，造成研究难度比较大，进度也比较慢。首先，从半刚性连接的方式来看，有螺栓连接、栓焊混合连接。其次，由于半刚性连接节点的各组成构件受力比较复杂，导致半刚性连接节点的M一0，关系曲线具有非线性特性。因而很难得到关于连接节点的M—o。关系曲线的解析表达式。目前对半刚性连接节点的研究方法如下[481。2．4．1试验测定法通过试验来研究半刚性连接节点的非线性特性，用试验结果确定半刚性连接的弯矩一转角曲线。进行半刚性连接节点的全程加载，可得到该节点的弯矩一转角曲线，通过试验的方法得到的数据更准符合实际。但试验测定的弊端也不容忽视，弊端如下：耗费人力物力、结果重现性低、结果离散程度高，另外现实中半刚性连接类型很多，且影响半刚性连接受力性能的因素和参数也很多，因此对每个连接都做出试验不太可能。Nethercot和kishi-chen均整理了完整且适用半刚性连接节点的弯矩一转角曲线，并针对各种类型的半刚性连接建立了相应的数据库。我国在半刚性连接节点的动力性能方面也进行了试验分析。如郭兵对半刚性端板梁柱节点在循环荷载在作用下的的滞回特性进行了试验研究；青岛建筑工程学院王燕等进行了在加载方式为循环加载，节点形式为外伸端板半刚性连接节点的受力性能做了分析研究。虽然全世界的对半刚性连接节点研究的试验数据合到一起比较庞大，但是如果细化到各个半刚性连接节点上，其实很少也不够全面系统。通过试验研究半刚性节点的受力性能，为理论分析和数值模拟进行指导和比较，进而根据试验结果判断是否符合实际情况。记录这个试验过程，得到半刚性连接节点在外界荷载作用的过程中，应力、应变及塑性区开展在半刚性节点处的分布情况。2．4．2曲线数值拟合法19 河北工程大学硕士学位论文曲线拟合法主要是运用数值分析的方法对试验数据进行拟合，采用逼近方法得到适用于某种类型半刚性连接节点的弯矩一转角曲线，最后将弯矩一转角曲线以解析式的形式表示出来。同时使工程设计人员使用拟合好的公式进行设计。在半刚性节点连接中，弯矩一转角间的函数关系式能突出表现连接节点的变形和承载力特性。科学家拟合了多种数学模型，这些数学模型的适用范围较窄，仅仅适用于某些特定的半刚性连接节点的弯矩一转角关系的曲线，如，线性模型、多项式模型、B样条模型、幂函数模型、指数函数模型。由于拟合半刚性连接节点的数学模型是以大量的试验数据为基础的，且通过试验获得的数据资料相比实际工程节点构造形式庞大数量来说仍然存在很大差距，因此得到的拟合曲线的适用范围就比较窄，即仅仅适用于特定类型的半刚性连接节点。2．4．3塑性分析方法针对实验数据的不充足的情况，理论分析是扮演着至关重要的角色。对半刚性连接节点的理论分析通常用塑性分析方法，分为两种即简单塑性分析和高精度塑性分析方法。Paokeretal(1977)以塑性铰线为理论基础，对节点形式为半刚性连接的构件进行塑性应力状态下的分析，分析节点在承受螺栓拉力作用下的塑性铰分布状况，最后得到半刚性节点出现塑性铰时，对构件影响区域范围和极限荷载值。W．F．Chen则对半刚性连接节点的柱翼缘屈服线进行研究。塑性分析方法对半刚性连接节点的研究比较适用于对节点强度和节点设计进行分析，但是用塑性分析方法研究半刚性连接节点的缺点在于只能得到半刚性节点的极限承载力，无法确定节点的变形大小。2．4．4解析法解析法研究半刚性连接节点的弯矩一转角曲线有两种方式：一抓住主要因素忽略次要因素，即把半刚性节点的主要构件分别假想一一隔离开，然后做出某些对半刚性节点实际受力影H向较小的假设条件，进而得到半刚性连接节点在荷载作用下的与变形之间的函数式，然后以接触面采用位移变形协调为原则综合分析各个构，最后得到整个半刚性连接节点的弯矩一转角关系曲线；二是对半刚性连接节点的主要构件进行加荷试验，得到半刚性连接节点的各个主要构件的实测荷载一变形曲线并拟合出该构件的荷载一变形曲线的表达式，最后对节点处各个构件的接触面，采用位移和变形协调的原则，得到半刚性连接节点的弯矩一转角曲线。解析法的特点使用方便、计算简单，但是该方法的适用范围，仅仅限于构造 第2章半刚性连接的理论及研究方法简单且组成半刚性节点的主要构件受力明确的半刚性连接节点；另外在分析过程中的假定对解析方的精度影响较大，因此应该采用符合实际的假定。2．4．5有限单元法尽管试验方法在对半刚性连接节点的研究中具有比较可靠和直观的优点，但是试验研究方法也有耗资巨大、耗时长等缺点；而且在半刚性连接节点的受力性能研究中，对工程实际中出现的每种半刚性连接节点都进行试验显然不太可能；因而所得的试验数据相比实际工程的节点来是不全面的，导致后续的拟合曲线方程和回归公式就必然有局限性。从经济、时间、和可行性来讲试验有其无法弥补的弊端。计算机技术在工程领域的广泛应用，还有大型有限元分析软件研发，对半刚性连接节点有限元全程模拟分析奠定物质基础。有限元法可对各种类型和不同尺寸的半刚性连接节点进行建模分析和计算，也就是利用命令流就可以实现对同一类型构件不同的半刚性节点的分析。同样的对各类型半刚性节点可选择不同类型的单元来满足精度要求，同时考虑不同因素和各种非线性对节点的影响。2．5小结本章简要介绍了常用半刚性连接的类型和构造形式，并给出了上述几种半刚性连接的弯矩一转角特性曲线，从半刚性连接的构造分析，得出了引起半刚性连接的弯矩一转角曲线非线性的原因，首先构成连接的各组成构件件之间的间隙，即螺栓、型钢等组成连接间存在的缝隙，使得节点在受到外界作用时，会引起各个组件之间的变形和位移；在加载过程中由于应力分布不均比较严重，所以会引起节点组件的局部屈曲；组件因承受集中应力导致应变分布不均匀；梁柱连接处腹板产生的翘曲；在荷载作用下节点总的位移变形。并给出几个半刚性连接的弯矩一转角曲线的数学模型，讨论了数学模型的优缺点。最后总结了半刚性连接的研究方法，介绍每种研究方法的具体操作过程。 河北工程大学硕士学位论文 第3章钢框架半刚性端板连接节点的理论分析3．1引言在现行钢结构的分析和设计中，为方便工程人员应用，通常将钢框架梁柱节点进行假定，即把节点简化为理想铰接或完全刚接。事实上，钢框架梁柱之间的连接既非完全刚性，也非理想铰接，在荷载作用下连接通常表现出一定的柔性，因此连接就本质而言应属于半刚性。考虑到设计的简单和便捷，如果荷载作用下，连接的变形可以忽略时，则把连接简化为完全刚接，也不会对框架的真实受力和变形带来较大的误差；同理，如果当连接节点的抗弯能力很小，小到对整个结构的影响可以忽略，则采用理想铰接模型是符合节点的实际受力状态的。但如果连接节点的抗弯承载力处于完全刚接和理想铰接之间时，就应该考虑节点刚度对结构受力的影响，即采用能够明确计入连接柔性影响的更接近实际的分析方法”j3。连接节点的半刚性性质会影响钢框架梁一柱之间的弯矩分布情况，而且还会增加结构的整体水平位移，对结构的总体强度和稳定性产生较大的影响，因此对半刚性连接的特性需做深入的研究，以便在钢框架设计中按照实际的半刚性连接来考虑。3．2半刚性节点的转动刚度国内外研究结果显示，端板的厚度、抗弯刚度、螺栓的直径、排列方式、间距及加劲肋的设置方向和加劲肋的厚度对节点的连接刚度有重大影响。从第二章的典型半刚性连接的弯矩一转角曲线可知，实际半刚性连接的弯矩一转角曲线总是处于X轴(理想铰接)和Y轴(完全刚接)中间；由半刚性连接节点的弯矩转角间的复杂非线性关系，可知节点的连接转动刚度对结构内力和位移会产生影响。因而有必要对半刚性连接节点的转动刚度和结构内力性能进行研究。3．2．1半刚性连接节点的初始连接刚度获得弯矩一转角曲线常用的方法是对试验数据整理，最后拟合得到函数表达式，KiShi和Chen(1990)年提出的适用于结构承载力分析的三参数模型： 河北工程大学硕士学位论文M：鱼旦：；[1+(训形式中，R甜一节点的初始连接刚度；00一塑性转角，岛=M。纯：M。一连接节点的受弯承载力极限值：n一与弯矩一转角曲线形状有关的系数，见图3．1、3-2H：R¨0／俨驴／彳。∽“=图3-1半刚性连接的三参数模型曲线Fig．3-lThethree-parametermodelCUl飞,eof(3—1)e图3-2半刚性连接的线性模型曲线Fig．3—2Linearmodeldescribedindescriptionofsemi-rigidconnection如右图所示，若在半刚性连接的节点作用一个弯矩，按照弯矩一转角关系曲线就可得知与该弯矩值相对应的转角；若去掉弯矩和再一次作用时，则该连接的刚度值就会等于初始连接刚度尺。；综上可知若连接处于弹性阶段，则可用连接节点的初始连接刚度值尺。，来近似代替半刚性连接的刚度，改成线性化的表达方式来近似模拟非线性的弯矩一转角曲线；表达式如下所示M=Rue3．2．1外伸端板连接的初始连接刚度(3-2)高强螺栓外伸端板连接示意，见(图3～3)若在分析夕t-t*端板的初始连接刚度时剪切变形的影响不可忽略，则外伸端板的极限状态下，两端固定支座的梁模型端板与翼缘之间的将产生的水平位移如式(33)，对公式的分析可知外伸端板的变形对外伸端板连接的初始刚度有重要影响，图3-4所示为端板达到弹性极限状态时的变形图。24 第3章钢框架半刚性端板连接节点的理论分析△=茜192E1(t+半]，l∥j式中，E／。一外伸端板的抗弯刚度值，f。一为端板厚度值，P一为上下翼缘外侧连接螺栓的间距。图(3—4)所示的水平位移的表达式可以写作：A=OhoM=Pk(3-3)(3-4)(3-5I将(3—3)、(3-4)、(3-5)代入式(3-2)，可推出外伸端板连接的初始转动刚度为：D一192EIPh0死2——L‘7t4-12．48t2p▲，1图3-3梁柱节点外伸端板连接Fig．3-3Beam-columnwithstrengthboltsandextendedend-plateconnection3．3半刚性连接对结构内力的影响【3-6)图3-4端板连接在弹性极限状态下变形Fig．3—4Theconnectiondeformationdiagramundertheelasticlimitstate按照半刚性梁柱连接节点的初始刚度，以具有一定转动刚度的螺旋弹簧对下图梁端支座节点采用进行替代模拟，若在梁跨中施加在集中荷载，则半刚性连接节点的梁端弯矩为：M。2RM％，MB=R柚gB(3—7) 河北工程大学硕士学位论文若把模拟螺旋弹簧去除，则(图3-5)中所示集中力或狮"--tlJs弓矩作用下简支梁的梁端转角分别为：秽AP=百Pab(L+b)以=一l警vlAJr．,凡=一等lvlBL,(3-8)秽=—矿，％一3日，％=一面A那么AI望l!l3—5不同荷载作用下半刚性梁内力分析过程Fig．3—5Internalforceanalysisofsemi—rigidbeamunderdifferentloads9rA=84P+8u+9^B将式(3．8)、(3．9)代入式(3．10)，得：将(3．11)简化得：式中同理对于B端可得：、)卜1e图(3—9)丝：．=Pab(L_+b)一_M=AL一—M=nL(3-10)只，。6EIL3E，6凹2MA(1+3a月)+MB=2M刚+M朋EI％2瓦∥82一LRKsM尉：譬，M肘：竽L(3—11)(3．12)(3．13)2MB(1+3倥口)+M』=2M船+M尉(3—14)由式(3—11)、(3．14)可得：26 第3章钢框架半刚性端板连接节点的理论分析M：：．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．．．．．——A(1+4an)MFA+2aeMF81+4口J+4口日+12a』口BM：：．——．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．——B(1+4aA)MFB+20tAMFA1+4a月+4口月+12a月口口当a=b一-l／2时，M剐=Mm，则M。：丝型±!丝丝丝。11+4a√+4口口+12a』口BM。：丝丝±!丝丝旦(3一15a)(3．15b)(3一16a)(3一t6b)若作用在梁上的荷载形式为均布荷载或者为其他形式，则式(316a)、(316b)仍然适用，但需把公式中的M尉和M瑚变为梁在梁端固定支座下相应荷载的固端弯矩。3．4半刚性连接对结构弹性分析的影响为加深探讨考虑节点半刚性转动刚度对刚架结构内力带来的影响，在下图所示半刚性连接刚架中，可将横梁两端与柱相连接处的刚度用螺旋弹簧来模拟，而且不妨假定螺旋弹簧刚度相同，即R觑=R栅=月。由结构力学的知识可知半刚性连接钢框架的梁端和柱端转角如图(3—6)所示。半圈性连装确囊卓嘲链14t翻集麦蓓圈图3-6半刚性连接钢框架在均布荷载下的变形图Fig．3—6Semi-rigidconnectedsteelframeanditsdeformationdiagram钢框架横梁的杆端弯矩为： 河北工程大学硕士学位论文M。8=qlLz2+尺吼+0．5尺钆M』c=尺吼MBA=--q一．；+尺铭+。．5尺眈M肋=ROB(3—17)(3—18)由∑M。=o及∑M。=o，可推导出半刚性连接钢框架横梁A、B两躏’tU仃，1向ttl,弓、矩为：Mt82MAc2一MB^=一MBB一丝18(羔8a2a]一∥等8(3．19a)I1++l2J。lr⋯’M翻=一MDB一等(斋18a啬12a卜等隆m，=一一I—l=一，1—36I+2J尸36，11oh、半刚性连接钢框架架横粱跨中弯矩为：蚝中一q1L82I(448+a3+2l口08+a428+口1：3厂"](丁9-4f1)qL2(3．19c)式中，a—a：旦，从式(3—19a)、(3—19b)、(3—19c)可知各弯矩值可以认为在刚￡比i性连接固端弯矩值乘以一个小于1系数∥，来修正半刚性连接对钢框架架内力的影响；罗一弹簧刚度比a的函数。图(3—7)，(3—8)分别为刚接和半刚接钢框架的弯矩图，图3-9表示弯矩系数∥与口的关系曲线。28 第3章钢框架半刚性端板连接节点的理论分析口[工]二][工]二田Bql’／蟾、冷么～阳P／18漾鞭缈影．江4刚¨￥IEI[乃孙脚脚铂么乃一图3—7刚接钢框架弯矩图图3—8半刚性连接钢框架弯矩图Fig，3·7BendingmomentdiagramofrigidframeFig．3．8Bendingmomentdiagramofsemi·rigidconnectedframe051O1520Ⅱ图3-9弯矩系数与口的关系Fig．3—9Relationshipofbendingmomentcoefficientwith口由上图可知，钢框架结构中横梁的杆端弯矩随着口的增加而减少，而跨中的弯矩则随着口的增加而加大，因此可知，若依照传统钢结构设计方法，钢框架的梁柱连接简单的设为刚性设计，而非半刚性连接，得出结构的内力分布与实际受力情况有较大差异，会导致由梁端传到柱的负弯矩没有预期的那样大，而梁的跨中弯矩则会处于危险境地；相反，若按铰接设计，则会忽略受重力荷载作用下的主梁会传递部分弯矩给柱端，因为只要是连接总是会有一定刚度，这样将会使主梁的设计偏于保守而造成浪费，可能会超过柱的极限承载力而不安全。29p5w加”坦仙屿 河北工程大学硕士学位论文3．5高强螺栓外伸端板连接的理论分析在高强度螺栓外伸端板连接分析中，所采用高强度螺栓的直径、端板的厚度、柱翼缘厚度、梁翼缘厚度、梁腹板厚度、节点域端板加劲肋的厚度和设置方向是对高强度螺栓的拉力分布和承载力均产生影响的主要因素。本文采用ANSYS数值模拟计算分析方法，对承受拉力作用下的外伸端板高强度螺栓的受力性能进行深入研究，并且建立有限元计算模型，结合高强度螺栓在屈服荷载和极限荷载作用下实际拉应力分布情况，给出高强度螺栓外伸端板连接在考虑撬力作用时的拉力作用下的计算模型，并为外伸端板连接工程的实际应用提供相关理论依据。3．5．1对端板连接的刚性分析(口)承压型(b)摩擦型图3-10外伸端板连接刚性计算模型Fig．3—10Theri百ditycalculationmodelofextendedend·plateconnection《钢结构设计规范》(GB50017)对高强度螺栓受拉连接进行计算时采用端板刚性分析法，把端板当作刚体，即端板不发生弯曲变形，对端板接触面允许被拉开的承压型高强螺栓计算时，假定转动中心处在端板的最下排螺栓处，螺栓的受力呈线性分布：对接触面始终保持紧密接触而不被拉开的摩擦型高强螺栓计算时，假定转动中心位于螺栓群形心处，且螺栓的受力也呈线性分布，如图(3．10)所示。在弯矩M作用下最外排螺栓承载力的计算公式为：ⅣfI--■址≤孵(3—20)mEY；式中M一端板连接处的弯矩；m一螺栓列数；群一高强螺栓抗拉极限承载力；M、Y，一第一排和第i排螺栓到螺栓群转动中心的距离。30№"黟蜘。一rk 第3章钢框架半刚性端板连接节点的理论分析3．5．2对端板连接的弹塑性分析英国规范采用弹塑性分析方法[651166)，即当半刚性端板连接节点处作用弯矩M时，通常假定钢梁受压翼缘中心0为连接的转动中心，且梁翼缘的受拉两侧的两排螺栓将承担同样大小的拉力，如图3．11所示，V—，千——j=hH——●一一—r厂—1Nt——f三f妙j≤—oKi。L—i图3—11外伸端板连接弹塑性计算示意图Fig．3—11Theelasticplasticmodelofextendedendplateconnections端板的螺栓群对0点取弯矩，列平衡方程有：M=肌lⅣf∑Yi+∑Ⅳf儿I(3—21)＼f。If2n』十l／式中，Ⅳ一由从门，+l排到甩排螺栓的拉力大小，Ⅳf2(Y,／Yn．)M。可求出在弯矩M作用下，最外排螺栓受拉承载力值M：妒再M酮式中^一梁翼缘中心间距；m一螺栓列数；n一转动中心以上的螺栓排数；M一弯矩荷载；一一对称分布于梁受拉翼缘两侧的螺栓排数；3．5．3端板连接塑性分析(3—22) 河北工程大学硕士学位论文欧洲规范EC3采用端板的塑性分析方法，即当有弯矩M作用在端板在面时，自梁翼缘的最上面一排螺栓往下，认为每个螺栓的拉力都会达到承载能力的极限值，因此单个螺栓本身的承载力决定了它们各自的受力性能，且各个螺栓之间的受力相互影响不大，拉力超出部分会被重新分配，从而转接到下一排的螺栓，形成塑性分布。如果不设置加劲肋在柱的梁翼缘高度处时，则一般第二排螺栓将承受最大拉力，且第二排螺栓的拉力值明显大于第一排螺栓的拉力，当端板厚度超过某一量值时，螺栓群的拉力分布状态几乎不受影响；如果在柱的梁翼缘高度处设置加劲肋时，那么第一排和第二排排受拉螺栓的拉力值大小基本上相同。根据极限平衡原理的屈服线理论，从而得出各螺栓的极限拉力。当假定加劲肋和端板厚度不作为考虑因素，且认为每个螺栓的承载能力极限值相同时，随弯矩增大各排螺栓依次从上到下逐个屈服。螺栓所受的拉力发展过程分为弹性、弹塑性和塑性三个阶段，如图(3．12(a)～(c))所示，—+广—’NtH三I伊—。●一bo)弹性(b¨￥塑性(C)塑性图3一12外伸端板连接塑性计算示意图Fig．3—12Theplasticcalculationmodelofextendend-plateconnection可假定钢梁受压翼缘中心作为计算时转动轴的位置，当节点承受弯矩M作用下，螺栓最大拉力的计算步骤可按如下进行：(1)端板的弹性阶段受力分析砸丽两M万丐丽≤衅(3彩)朋(咒椤；钞，联涉：+⋯啊．。纱，)一‘⋯。。(2)端板的弹塑性阶段受力分析当Ⅳr。≥矿时，则第一排螺栓屈服，那么令M。卅，超出螺栓承受能力的拉力就会由下一排螺栓来承担，第二排以下的螺栓所承受的弯矩和第二排螺栓的拉力按下式计算：Ml=M-N；yL(3-24)盱币鬲历籍丽≤矿(3-25)”NNh闵铽．鼷眵 第3章钢框架半刚性端板连接节点的理论分析(3)端板的塑性阶段受力分析当Ⅳ，：≥矿，认为第二排螺栓达到屈服，令M：卅，超出第二排螺栓承载能力的拉力会转移到第三排螺栓上，由第三排螺栓承担，对往下的螺栓继续按以上步骤进行内力计算，直到所有螺栓全部达到屈服。3．6外伸端板节点的焊缝计算、抗剪承载力及构造要求3．6．1外伸端板的梁端焊缝计算在高强螺栓端板连接的计算中，通常假定梁腹板与端板问的竖向焊缝承担全部的剪力，而端板与梁上下翼缘与之间的焊缝】，则不承担任何剪力，因此当在梁端施加一作用力时，梁腹板和端板之间的直角角焊缝强度可按下式验算：f：奠4—6pbN,,Y—．E／b．pf-且t印≥再而(3-31)式中，f，。一梁柱连接节点的端板厚度；N。一设计弯矩的单个螺栓拉力值；玎。一梁翼缘两侧最顶部受拉螺栓总数量，Ⅳf。=M／(n。，啊)，M为弯矩设计值；厂脏一为半刚性连接节点的抗震调整系数，对螺栓规范一般规定取0．75，另外仅计算竖向地震作用时取1．0；N也一单个螺栓在梁出现塑性铰时拉力值，Ⅳf。=1．2yoM曲／(n。h，)，1．2为节点承载力调整系数，M．。为梁截面出现塑性铰时的弯矩，％为考虑撬力作用时的调整系数，端板有加劲肋时取1．2，无加劲肋时取1．3；厂、，：．端板材料的抗拉强度设计值、极限抗拉强度值。按照《钢结构高强度螺栓连接技术规程》(JGJ2．2010)在外伸端板连接接头中引入的撬力设计方法，该方法计算端板厚度如下式子，并且验算了撬力作用下高强螺栓的强度。(1)不考虑端板连接的撬力作用时，端板可取用的最小厚度‘，按下式计算： 河北工程大学硕士学位论文(2)当考虑端板连接的撬力作用时，端板厚度t。，按下式计算：(3．32)(3．33)式中，少一撬力影响系数，若不计撬力时大小时取1．0，gt=l+a’6；厂一钢材的设计强度；e。一为螺栓中一L,N端板边缘的距离：m。一为螺栓中心到翼缘板的距离；如图3．11所示f。一考虑撬力作用时端板的计算厚度，应满足构造要求≥16ram，且不宣小于连接螺栓的直径；万一端板截面系数，6=1-ndo／b；，2一端板螺栓列数：口7一系数，当∥≥1．。时，口’取1．0．当∥≤1．o时，口7=吉(与]，并满足瑾’≤1．o；脯栓的承载榭向瓶∥』P[等．IV-l卜詈。k，／g3．6．3连接节点抗剪承载力对梁柱端板连接的设计，通常假定高强度螺栓承担作用在半刚性连接节点的竖向力，除了要验算每个螺栓的抗弯承载力，还应验算半刚性连接节点处各个螺栓的抗剪承载力。在由高强螺栓构成的外伸端板半刚性连接中，参照《钢结构设计规范》(GB50017)中普通螺栓的抗剪承载力公式，来验算高强螺栓的抗剪承载力。根据塑性分析法的理论，即取高强度螺栓在半刚性连接节点处的极限弯矩作用下的受力状态，来分析单个高强度螺栓的拉力情况。在端板连接计算公式中，当高强度螺栓同时承受剪力和轴向拉力时，可采用下式进行计算：NrsN；N，：Vcon，0{e。)r{e。y0{e。r0{e。)70{e。yr孔却跏]7axOx融lr抛au抛]72【．万万瓦j=罡老丝az]70{e，)r{。。)7{e。r0批№，降5，转角列阵p)用形函数[G蜘节点位移列阵{6)e的乘积来计算(4—6){o)={G){6)。(4．7)形函数矩阵{G)由单元节点坐标所定义，整理上式可得：4．4材料非线性dP)--[c]-【GM占)。[B“]=【c】．[G】(4—8){占)={占肼)+{占7)=([丑7]+[B州]){6)。材料的非线性体现在当材料的应力超过弹性极限时，材料的应力应变关系呈非线性变化。即进入屈服阶段，因此屈服点应力作为区分材料是处在弹性阶段还是塑性阶段的依据。按照《钢及钢产品力学性能试验取样位置和式样制备》GB／T2975--1998和《金属材料室温拉伸试验方法》GB／T228--2002中的规定，在单向拉伸试验当构件截面应力均小于屈服强度时，构件即处在弹性状态；如果构件的截面应力超过屈服强度时，材料进入塑性阶段，从而产生塑性变形。但是在工程中的构件几乎没有处在单向应力状态的，而是处于复杂应力状态。因此对于该公式转角列阵矽旧形函数IG如节点位移列阵{6}c的乘积来计算中在复杂应力状态的构件取其等效应力，以等效应力与材料的屈服来比较作为判别构件所处的应力阶42 第4章ANSYS分析结果与试验结果对比段。在弹塑性理论中采用yon—mises屈服条件作为判断依据，该屈服条件的等效应力如下式：孑=廖i而i而=丽i石习(4—9》大量的研究成果表明，对延性较好的钢材，使用VOR—mises屈服条件能够使分析结果比较精确。因此采用voR—T『1ises屈服准则来判断节点是否屈服的依据。即：仃