钢梁柱外伸端板螺栓连接及其对框架结构的影响

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梁柱端板螺栓连接避免现场焊接,安装方便、施工快捷,在钢结构中应用广泛。但由于端板等组成板件的弯曲变形与螺栓受拉变形等,端板连接在承受弯矩的同时,梁与柱之间夹角发生变化,属于典型的半刚性连接类型。与传统的完全刚接和理想铰接连接相比,半刚性连接可以优化框架梁上的弯矩,能够带来一定的经济效益。但由于缺乏半刚性连接的计算理论和方法,我国目前都是将端板连接按完全刚性连接进行设计。半刚性连接带来的经济效益得不到应用,同时结构分析模型与实际情况存在较大的差异,会使结构设计存在一定的安全隐患。目前我国《钢结构设计规范》(GB50017-2003)要求半刚性连接结构在内力分析时,必须预先确定连接的弯矩—转角特性曲线,以便考虑连接变形的影响。但半刚性连接在我国的研究尚处于起步阶段,规范没有提供确定半刚性连接性能的方法。  本文主要针对梁柱外伸端板连接这一具有半刚性连接特性的连接形式进行深入研究,主要进行两方面工作:梁柱外伸端板连接在弯矩荷载作用下的性能;连接弯矩—转角性能对整个框架结构的影响。具体完成以下工作:  (1)利用ANSYS软件建立外伸端板连接有限元分析模型:首先研究接触问题的解法,并应用有限元方法成功实现了接触问题求解;然后对螺栓进行精确的数值模拟,分析螺栓在拉力作用下的性能。以精确有限元分析为标准,对梁柱连接分析中的常用螺栓模型的精确性进行评价,指出常用模型的优缺点,并在此基础上提出了改进的螺栓分析模型;利用该改进螺栓模型建立了梁柱端板连接三维有限元分析模型,与已有试验结果进行比较,验证了该模型的正确性和实用性。  (2)应用有限元方法对外伸端板连接性能进行分析:研究了加劲肋设置、端板尺寸、螺栓等级与排列方式、柱翼缘厚度、梁高度等对连接刚度、承载力、延性和螺栓受力的影响。用三参数指数表达式对连接弯矩—转角关系曲线进行拟和。对拟和结果进行多项式回归,建立了表达式中的参数与连接几何和材料特性之间的关系。利用已有试验与有限元分析结果和回归公式进行比较,验证回归分析所得弯矩—转角表达式的准确性。  (3)梁柱端板连接弯矩—转角关系简化理论分析:把梁柱连接弯矩转角关系曲线简化用连接刚度和承载力表示的折线形式。应用组件方法推导了连接初始刚度的计算方法,基于板壳理论建立端板和柱翼缘的抗弯刚度计算公式,方便计算分析;应用塑性铰线分析方法建立了端板螺栓连接承载力计算方法。通过与其它研究者的试验数据进行对比,验证连接初始刚度与塑性抗弯承载力计算公式的可行性和有效性。  (4)梁柱连接性能对框架结构的影响:分析梁柱连接刚度、承载力对框架结构的刚度、内力和弹塑性承载力的影响。通过参数分析提出了半刚性连接框架图表估算方法,验证了规范提出的框架结构二阶弯矩简化计算方法在半刚性连接框架中的适用性。
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