空间钢框架梁柱端板连接的有限元分析

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目前,对钢框架半刚性节点进行的分析研究工作集中在平面钢框架上。经国内外众多学者的努力研究,平面钢框架半刚性强轴节点和弱轴节点的非弹性分析方法己经比较完备,实践也证明可以用于一般的框架结构设计。但是对空间钢框架的研究十分匮乏,而实际工程中的钢框架节点都处于三维受力状态,用平面框架代替空间框架的假定方法忽略了结构整体的空间耦合效应,与实际结构状况不符,因此对空间钢框架梁柱节点进行有限元分析有重要的意义。  本文以国外学者Cabrero所建立的空间钢框架梁柱节点端板连接等比例加载实验研究为基础,利用ABAQUS软件建立有限元模型,将有限元结果与试验结果进行对比,验证建模的准确性。  本文依据相关国内规范,对空间钢框架H型梁柱端板连接进行参数化有限元分析。通过改变端板尺寸和钢柱尺寸,选用五种组合类型进行对比,每一种组合都其对应的中节点、强轴边节点、弱轴边节点、角节点和两个单轴节点。分析了每种组合中空间节点与单轴节点的抗弯承载力和初始转动刚度,探讨了端板厚度和柱截面对中节点受力性能的影响。五种组合工况下,空间节点等比例加载时强轴和弱轴有一定的相互作用,与单轴加载相比,多数节点的抗弯承载力和初始转动刚度均呈现提高的趋势。对中节点而言,强轴节点的端板越薄,受拉区端板在受力方向上的位移就越大;柱截面改变对强轴节点的抗弯承载力基本无影响,对弱轴节点的抗弯承载力影响较大。  本文研究在没有明显的强轴和弱轴区分的情况下,端板连接半刚性空间节点的性能,为此引入了方管柱和膨胀螺栓这两种构件。为了研究端板的相对厚度和两个轴向上横梁的相对尺寸对空间节点相互作用的影响,本文共采用五种组合形式进行对比,对每组合的中节点和其对应的单轴节点进行建模。根据有限元模型的结果,探讨了不同端板厚度和不同梁高对空间节点相互作用的影响,对比分析了五种组合下节点的初始转动刚度。不同厚度的方钢管柱端板连接的中节点抗弯承载力均比单轴节点的抗弯承载力提高约20%。两个轴向的节点抗弯刚度不同时,较弱节点的抗弯承载力均比单轴节点的有较大幅度提高,较强节点的抗弯承载力提高幅度不大。  另外,本文针对厚端板连接在焊缝处出现应力集中的情况,通过梁翼缘削弱的方式对这种端板连接加以改进。梁翼缘削弱能使梁端塑性铰外移,但是降低节点的承载性能。
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