单斗挖掘机铁道开采工艺

不设置水平加劲板的箱形柱-H型钢梁刚性连接中节点的强度设计条件（可编辑） 重庆大学 硕士学位论文 不设置水平加劲板的箱形柱-H型钢梁刚性连接中节点的强度设 计条件 姓名:方松青 申请学位级别:硕士 专业:结构工程 指导教师:崔佳 20070430中文摘要 摘 要 钢框架是多高层建筑钢结构中主要的结构形式,箱形柱与型钢梁刚性连接节 点是钢框架结构中最常见的节点形式之一。在传统的梁柱刚性节点构造中,通常 在梁翼缘对应的箱形柱内设置水平加劲隔板以有效的传递梁端弯矩,提高节点的 刚度和节点域的承载力。钢结构#设计#中明确的了工字 形梁与形柱刚性连接时,当节点区满足一定条件,柱腹板可不设置横向加劲肋, 而对箱形柱连接的情况未加任何说明。本文研究的目的就是弄清楚在非抗震条件 下,不设置水平加劲板的箱形柱与在同一条直线上的型钢梁刚性连接形成的 全 焊接中节点的强度设计条件。 然而国内外对此种形式的节点研究尚不够完善,导致没有完整且系统的分析方 法可供借鉴。但是可以综合运用国内外已经研究比较成熟的板件的受拉性能、屈 服线形式等理论以及板件极限承载力的计算方法对本文的梁一柱节点进行分析,基 于此,做了以下主要研究工作: ?从建立有限元力学模型出发,合理的选择了有限元分析的各个模型。在模 型的建立过程中做了一些假设,如不考虑焊接残余应力和初始缺陷的影响,构件 采用理想的弹.塑性材料,考虑对接焊缝与构件具有同样的材质等。合理的模型对 研究影响节点性能的因素起到关键性的作用,本文通过固定梁截面不变,变换柱 截面的宽度、壁厚和固定柱截面,改变梁翼缘板的宽度两种方式来进行组合。 ?对模型进行有限元分析,整理分析后的数据并且总结出影响节点性能的因 素。分析过程中对模型施加荷载时首先通过选择合适的轴压比来确定柱轴力并对 施加于柱顶;再对梁自由端施加节点集中力,随之进入分析直到程序结束计算。 通过对分析数据的整理,描绘出关键点的.曲线,并由此确定柱宽度,柱翼缘 厚度,柱宽厚比,和柱与梁翼缘宽度比四个因素对节点性能的影响关系。 ?根据屈服线形式,推导出在强度条件下当不设置水平加劲板的箱形柱与 型钢梁刚性连接形成中节点时,柱壁板厚度的限制条件。计算时采用等强原则, 即屈服线承载力不小于型钢梁翼缘传来的水平力。最后将有限元模型分析的结 果和建议公式计算出来的结果进行比较,简化公式并验证本文的思路和方法是可 行的。 本文采用程序对模型进行建模分析,通过分析大量算例的计算结果, 归纳得出了不设置水平加劲肋的箱形柱.型钢梁刚性连接的节点强度设计条件。 关键词: 箱形柱,加劲板,屈服线,全焊中节点,强度设计,非线性有限元分析英文摘要. . ,?. ?,,? ., . ’ .. . , , ’ . . ? , . . , . .. : . ;.?. ., ?., ., 重庆大学硕士学位论文 . .? , .? , .. , .. . , 百?. :, , , , , 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得重庞太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名: 签字日期:?年/月/日 学位论文版权使用授权书 有关保留、使用学位论文的 本学位论文作者完全了解 重废太堂 规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许 可以将学位论文的全部或部 论文被查阅和借阅。本人授权 重庆太堂 分编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密 ,在??年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 / 不保密。 请只在上述一个括号内打“” 学位论文作者签名: 导师签名:牡所 日 签字日期: 年 月 签字日期:厶年石月/日 ,绪论 绪论 .选题背景及研究意义 建筑钢结构具有减少建筑中结构所占的面积,降低基础工程造价,缩短建筑 施工周期,良好的抗震性能等显著优点,这些优点使工程开发产生了有效的综合 经济效益?。自从年至今,由于钢材品种的持续开发,以及对全钢结构多高 层建筑的抗震性能的优越性有了更多的共识,因此这类结构得到了进一步应用。 同时随着我国经济的快速增长以及近几年冶金业的发展,钢框架结构体系将逐渐 在我国多高层建筑中成为应用最广泛的结构类型之一“。 建筑钢结构中,框架是最为常用的结构体系。梁柱刚性连接节点是框架结构 的主要节点类型之一。组成框架结构的框架柱截面通常取用热扎的型钢截面, 焊接的型钢截面和四块钢板焊接而成的箱形截面。使用型钢截面的框架柱时, 由于型钢在截面性能上有强轴惯性矩和弱轴惯性矩之分,因此型钢的方位, 宜使其强轴对应与柱弯矩较大的方向,或者对应与柱的计算长度较大的方向。而 由四块钢板焊接而成的箱形截面柱在两个主轴方向上的惯性轴相等,没有强轴和 弱轴之分,故当两个方向弯距相差不大和在地震条件下尤其适合,加上箱形 柱便 于涂刷防火涂料和柱子的外包装修,因此箱形柱在多高层钢结构中使用得越来越 广泛,它以其较好的受力特性被广泛使用。框架结构中的框架梁通常采用热轧的 窄翼缘型钢或焊接的型钢,但不适宜采用热轧的工字钢。因为采用热轧的工 字钢的翼缘厚度可变,不适应焊接坡口的加工要求和设置引弧板。 无论是箱形柱与型钢梁刚性连接还是工字形柱与型钢梁刚性连接,都有 全焊接刚性连接和栓焊刚性连接两种“,全焊接刚性连接要求型钢梁翼缘采用焊 透的形对接焊缝而腹板采用角焊缝与柱翼缘连接,栓焊刚性连接要求型钢梁 翼缘采用焊透的形对接焊缝而腹板采用摩擦型高强度螺栓与柱翼缘板相连。对 于梁柱刚性连接节点构造,相关设计规范和技术规程均做了相关规定:《建筑抗震 设计规范》..第三条中规定:工字形截面柱翼缘和箱形柱与梁连接时,柱 在梁翼缘对应位置设置加劲肋,且加劲肋厚度不应小于梁翼缘厚度;..第五条 规定,箱形截面柱在与梁翼缘对应位置设置的隔板应采用全熔透对接焊缝与壁板 相连。《高层民用建筑钢结构技术规程》.中也规定当框架梁端垂直于工字形柱 腹板与柱刚接时,应在梁翼缘的对应位置设置柱的横向加劲肋,梁翼缘与柱横向 加劲肋采用全熔透焊缝连接。 由上述规程和规范的规定可以看出:框架柱与钢梁刚性连接时,箱形柱在 梁翼缘对应位置应该设置横向加劲肋。除了《钢结构设计规范》中规定:当工字重庆大学硕士学位论文 梁翼缘采用焊透的形对接焊缝而腹板采用摩擦型连接高强度螺栓或焊缝与形 柱的翼缘相连,满足下列条件时,柱的腹板可以不设置加劲肋。 ?在梁的受压翼缘处,柱腹板厚度气应该同时满足: 筹帆?务 ?在梁的受拉翼缘处,柱翼缘板的厚度应该满足: ?.、 这个规定只适用于形柱与工字形梁的连接情况。由于箱形柱与形柱的截 面性能不同,因此在与梁形成刚性节点时,整个节点的受力情况也不尽相同。所 以规范中的上述规定不能用于箱形柱与型钢梁的刚性连接节点中。 前面提到,当箱形柱与钢梁刚性连接时,箱形柱在梁翼缘对应位置须设置 水平加劲肋,且加劲肋必须采用全熔透焊缝。在实际工程的施工过程中,对 加劲板的设置,通常是将加劲板与柱的三块壁板先焊接起来,而加劲板与第四块 壁板的连接只能从外面用熔化的嘴电渣焊来解决图.,这种方式对于施工来 说具有很大的难度。 图.箱形柱横向加劲肋焊接 . 这种焊接方法在节点区很容易出现熔渣及不完全熔化现象,这些焊接缺陷是 导致节点脆性破坏的直接原因”。焊接时产生的较大的热量,很容易造成焊缝不均 匀及产生很大的焊接变形,不恰当的焊接工艺也容易在材料中产生较大的焊接残 余应力,使热影响区在收缩时产生裂纹,从而造成焊缝的不连续性,这也被认为 是梁下翼缘首先出现裂缝的主要原因。这些原因使焊缝质量得不到保证,从而直 接影响了节点的承载力。同时电渣焊的返工是非常麻烦的,在施工制作过程中, 虽精心制作,但返工是不可避免的,因此必然会影响施工进度,从而得不到很好 的经济效益和施工质量。当结构体系在受力较小的情况下,若箱形柱内部可以不 设置横向加劲肋,不仅可以节约材料,同时也减少了框架节点处焊缝的数量,减 小了焊接残余应力,并且大大降低了施工难度,从而提高了节点施工的速度以及 绪论 整个工程的建造进度。 因此,对此课题进行研究,具有很重要的工程和科研价值。为了解决在强度 条件下,不设置水平加劲肋的箱形柱与形梁刚性连接节点设计条件问题,进行 了本课题的研究。 .国内外研究现状 国内外学者自从上世纪五十年代,开始从试验入手研究分析梁柱刚接的受力 性能,首先是研究节点在单调荷载下的表现,反映节点的刚度和强度等性能。提 出了梁柱焊接连接的延性是梁柱节点延性的主要保证,并提出了外加劲肋的计算 公式和设计建议。 在各国的研究中,其中美国和日本两国的专家学者对钢框架节点的抗震性能 与破坏机理做了广泛的调查和研究,并做了大量的试验,提出了节点的一些改进方 案。由于美国多采用型钢柱,日本多采用方、矩形钢管柱,节点构造也有所不同, 故在地震中表现出来的梁柱节点破坏特点也不完全相同。 美国梁柱节点试验”采用型钢柱,连接破坏大多发生在梁的下翼缘处,其 破坏模式有:?梁下翼缘与柱翼缘焊接处,焊缝与柱翼缘完全断开;?断裂从衬板 和柱交界处开始,然后向柱翼缘母材扩展,而后撕下一部分柱翼缘母材;?焊缝熔 合线处梁下翼缘裂通;?柱翼缘开裂,甚至扩展到柱的腹板内等。经过研究分析的 结果表明,发生上述梁柱节点连接部位破坏的主要原因有:?焊缝存在的缺陷,如 裂缝、欠焊、熔化不足或不良、夹渣及气孔,由于梁端腹板下翼缘处工艺孑偏小, 使下翼缘焊缝在施焊时实际上中断;?连接部位的钢材存在三向应力,无法形成侧 向收缩或剪切滑移,以致在没有明显屈服现象下就发生脆性破坏;?梁柱节点的高 应力区集中在梁翼缘的坡口焊缝处;?梁翼缘焊缝的焊接衬板边缘缺口效应?焊 接工艺所需的衬板与柱翼缘之间形成的“人工缝”的尖端处产生应力集中;?在 梁翼缘对应位置的工字形柱加劲肋厚度偏薄等。 日本主要采用方、矩形柱,而大多是冷压成型方钢管、冷轧成型方钢管 和热轧成形的方钢管,梁柱连接节点通常采用内隔板外伸与梁翼缘连接的 方式。阪神地震中梁柱节点的破坏模式:?方钢管柱与横隔板焊缝的断裂;?梁 下翼缘与横隔板焊接热影响区的断裂;?在工艺孔范围内梁下翼缘的断裂; ?在 工艺孔范围内横隔板的断裂。震害调查发现,由于工艺孔的存在,引起了梁柱节点 在该区域的集中变形,而产生了以工艺孔端点为起点的梁翼缘的脆性断裂、贯通横 隔板的脆性断裂以及熔深焊接部位的断裂等种种破坏。在震后的试验中测到梁柱 节点处梁翼缘断面上的轴向变形分布为:当有工艺孔时,梁翼缘外面的最大变形发 生在断面端部,内面的最大变形发生在工艺孔端点处:当不设工艺孔时,梁翼缘内重庆大学硕士学位论文 面或外面的变形集中均在端部,最大变形产生在梁翼缘端部外面。 美国在过去的三十几年里,以加州伯克莱的教授为代表,陆续进行了 大批的梁柱节点在低周反复荷载作用下的试验研究,试验中的脆性断裂现象比例 相当高。从侧面说明了梁柱焊接连接的延性是梁柱节点延性的主要保证。为了检 验箱形柱采用外加劲肋的梁柱连接的性能,等人进行了六个试件的循环如载 实验,根据试验结果提出了外加劲肋的计算公式和设计建议。 文献】对箱形柱与工字梁刚性连接节点进行了简化,分析中将工字梁的受拉 翼缘简化为一板,连接于焊接箱形柱翼缘板上,同时利用屈服线理论、节点的几 何尺寸关系以及能量平衡原理,对节点建立了平衡微分方程,得出了受拉翼缘上 可作用的力的极限值的计算公式。 文献】进行了个试件的试验研究以及有限元分析,试验主要研究对柱采用 何种加劲来避免柱翼缘和腹板产生届曲。 文献对三个箱形柱、形柱与工字梁刚性连接的构件进行了地震作用下的 试验,并且针对这三种截面类型的节点进行了有限元分析。研究出了此类节点在 地震作用下的性能,以及影响节点的主要变量,并提出了相关设计建议。作者对 箱形柱与工字梁的节点得出了以下结论:?箱形柱与以往的形柱节点不同,箱 形柱节点中梁翼缘的集中力是通过柱内部加劲肋传给柱腹板;?加劲肋的刚度和 厚度直接影响梁柱节点的整体性能和局部承载力,节点域的刚度和强度随着加劲 板的厚度的降低而降低。如果柱内部不设置加劲肋或者加劲肋厚度过薄,则节点 不能称为刚性节点。同时,在加劲板的厚度比梁翼缘厚度厚的情况,才能避免节 点的局部屈曲且构成刚性节点。 美国现行.规范中规定,翼缘受到一焊接于其上的板传来的拉力作 用时,当翼缘板的承载力满足某些条件时,翼缘可不采取措施。同时,美国 抗震规范中描述了针对不同形式的框架形式,是否应该设置加劲肋的建议,并认 为应先通过实际测试来确定是否可以不设置加劲肋。 除美国之外,欧洲的.规范中给出了形钢柱翼缘上焊接受拉板件, 当柱翼缘满足什么条件时,柱可不设置加劲肋。针对轧制形钢柱和焊接形柱 均给出了相应的计算公式。 文献“对板件与箱形截面构件焊接连接的节点进行了非线性有限元分析以 及屈服线分析,得出了板件对箱形截面产生的影响以及节点的简化设计方法。 国内近几年对梁柱节点也展开了深入的研究。文献对普通和改进型工 字形梁柱刚性节点分别进行了试验和有限元分析的研究。通过试验得出:较弱节 点板的梁柱连接能产生较大的塑性变形;翼缘对接焊缝的质量对梁柱刚性连接的 滞回性能有很大影响。有限元分析验证了按照现行规范设计的梁柱刚性节点发生 绪论 脆断的可能性,得出了连接处梁端截面应力分布及梁翼缘发生脆断的原因,提出了 改进型节点及加强措施,最后指出了规范的不当之处及对此问题的展望。 文献】在研究梁柱腹板连接的抗震性能时,在将考虑了几何非线性、材料非 线性和状态非线性的有限元程序计算结果与已有试验结果进行对比验证的基础 上,对梁柱腹板刚性连接形式一栓焊连接进行了全面的有限元模拟,计算分析了 梁柱腹板连接在循环荷载作用下的受力性能、破坏机理,在此基础上提出了拼接 区剪应力分布新形式,为工程设计提供了理论依据。 文献【】】对四种类型八个工字形截面梁柱刚性连接节点足尺构件在循环往 复荷载下进行了试验和非线性有限元分析。节点构造中,柱腹板均未设置水平加 劲板。试验结果分析了不同形式节点的承载特点和延性特征,得出了焊接质量是 防止节点脆性破坏的首要保证,可以通过降低节点集中应力来改善应力分布和进 行梁局部肖?弱,使其先与节点域产生塑性铰以充分发挥梁的塑性;非线性分析时, 为突出节点构造对节点性能的影响,计算时忽略了节点焊接缺陷、焊接残余应力的 影响,也没有考虑高强螺栓的应力松弛及单剪板与梁腹板之间的相对滑动。为全面 分析节点的受力性能,本文进行了种节点在以下两种荷载情况下的分析工作:? 梁端加载点施加静力,研究节点在弹性阶段的应力分布规律。?梁端加载点施加单 向荷载,研究节点在弹塑性阶段的应力分布规律。通过分析求得了其应力分布,塑 性区分布及极限承载力,并对节点的力学性能进行了理论分析和试验结果的比较。 文献对四种节点形式八个工字形截面梁柱网性连接节点足尺试件进行 了四种反复荷载历程下的破坏试验和非线性有限元分析。节点构造中,柱腹板均 全部设置水平加劲板。试验表明明显的焊接缺陷容易导致裂缝过早地开始扩展,从 而降低了节点延性和耗能能力。节点局部构造尤其是焊接孔形状尺寸对节点应力 集中和节点破坏模式有很大影响。有限元分析研究了节点局部构造对应力分布、 塑性区分布及极限承载力的影响,分析了焊接孔末端的应力分布状况。 文献就箱形柱和工字梁的栓焊刚性连接节点,进行了在单向荷载和循环荷 载作用下的破坏机理分析和研究。得出了焊接的连续性和焊接质量对残余应力的 大小和分布有着极大的影响以及典型的箱形截面柱与工字型梁刚性节点的特点: 最大应力出现在对接焊缝的两端和焊接孔的两个切口位置;梁端翼缘两侧的 应力 明显高于同截面翼缘的其他位置。 文献【】对钢结构箱形柱与工字梁刚性节点进行了试验研究。通过试验,测定 了节点在反复荷载作用下的滞回曲线及节点板域、外隔板的应力分布;分析了节 点的抗震性能。同时对外隔板做了有限元分析,提出了外隔板设计的合理尺寸。 钢规吼规定,当工字粱翼缘采用焊透的形对接焊缝而腹板采用摩擦型连接 高强度螺栓或焊缝与形柱的翼缘相连,节点区满足某些条件时,柱的腹板可以不 重庆大学硕士学位论文 设置加劲肋。并给出了简单的公式推导。 耳前国内大部分学者主要针对形柱和工字梁刚性连接节点在地震作用下的 性能进行过一些研究,对不设置水平加劲板的钢框架箱形柱与工字型梁刚性连接 节点的研究甚少,现行钢结构规范对箱形柱的连接节点的规定基本是一片空白, 因此对此类型节点的研究还有更多更深入的工作要做。 除了形柱和工字梁连接的节点性能的研究外,国内外学者对矩管形节点 连接也做了相关研究。由于矩管形节点与箱形柱的连接节点有类似之处,特别 是当节点承载力达到极限时,屈服形式与矩管节点的屈服线形式类似。因此,它 的研究能为本文提供参考,具体的研究如下: 文献】拿大多伦多大学的..和.等对受拉竖板与矩 管连接做了很多研究。他们提出了矩管在轴力作用下,受拉竖板与矩管连接节点 的屈服线形式,使用斜屈服线的简化处理方法,得出该类节点的承载力计算公式。 此后又对主管和支管均为矩管的节点进行了有限元分析,在有限元模拟中,他采 用了弹一塑性模型和刚一塑性模型分别进行计算,最后将计算结果与理论公式相比 较,得出了刚一塑性模型的计算结果与理论结果更加接近。 文献】【】对形节点进行了分析并对屈服线理论进行了总结。总结了钢 构件及节点中所应用的屈服线理论,讨论了屈服线的形式以及承载力,归纳了影 响屈服线的六个因素,并得出了斜屈服线倾斜及屈服线的条数对计算结果影响很 大的结论。同时,他明确的指出了目前的屈服线理论,都是基于对一个单独的板 件屈服的研究结果,并没有考虑不同的边界条件及连接对屈服线的影响。 综上所述,国外虽然使用钢结构框架的年限比我国久远,但关于不设置加劲 肋的箱形柱和工字梁刚性连接节点研究也很少,除了美国抗震规范给出了可 以通 过实际测试来决定是否设置加劲肋,其他各国规范都没有给出箱形柱不设置 加劲 肋的限制条件和理论计算公式。 .梁柱刚性节点现有计算方法 ..节点设计的基本原则和方法 ?节点设计的基本原则 节点受力应力求传力简捷,明确。使计算分析与节点的受力实际情况相一 致。 保证节点连接有足够的刚度,使结构不致因连接较弱而引起破坏。 节点连接应具有良好的延性,建筑结构钢材本身具有很好的延性,对设计 十分重要。因此在设计中应采用合理的细部构造,避免采用约束度大和易产 生层 状撕裂的连接形式。 绪论 构件的连接一般按照等强原则设计,亦即拼接件和连接强度应能传递断开 截面的屈服承载力。 尽量简化节点构造,以便于加工,及安装时容易就位和调整。 ?节点设计的方法 节点设计的基本方法一般有三种:依据实际内力进行设计、依据等强度原则 进行设计和依据极限承载力进行设计。 按照杆件内力值进行设计 按照实际内力进行设计是指按照一定设计荷载作用下计算所得结构的内力分 布,来确定相应节点内力设计内力,将其控制在允许范围之内,并由此来确定 承载力安全性的一种设计方法。依据杆件实际内力进行设计的节点,即使被连接 的杆件完全相同,由于其所处的节点部位不同,内力也会因此而不同,导致节点 的设计结果也有所不同。这种设计方法通常用在节点连接处于弹性受力状态时。 按照等强度原则进行设计 按照等强度原则进行设计是指节点设计时需保证能够传递相当于杆件极限承 载力的内力。一般情况下焊缝节点较容易满足这一条件,而包括高强螺栓在内的 螺栓连接节点,由于有螺栓孔而引起的截面减少,如果要满足这一设计条件是比 较困难的。本文采用等强度原则进行节点设计。 按照极限承载力进行设计 按照极限承载力进行设计的节点既保证了杆件可以充分发挥其塑性承载力又 不会导致节点发生破坏。这种极限承载力与力学上的等强度设计有所不同, 它能 够保证框架结构达到极限状态时,构件达到其全截面的塑性承载力。极限承载力 设计方法,~般情况下适用于杆件内力较大部位需考虑杆件的塑性阶段的承载力 的节点设计。 ..梁柱刚性连接节点区的计算 ?.柱腹板抗压承载力的验算 梁的上下翼缘与柱连接处,如柱腹板两侧不设置水平加劲肪时,将粱端弯矩 在梁的上下翼缘中产生的内力作为柱的水平集中力,该连接处必须进行局部应力 的验算。梁翼缘传来的压力或者拉力形成的局部应力,可能带来两类破坏: 在梁受压翼缘引起的压力作用下,柱腹板由于屈曲而破坏; 对这种情况,梁受压翼缘传来的压力是否足以使柱腹板屈曲,要按照腹板和 翼缘连接焊缝的边缘处计算。假定屈服时受压翼缘传来的.疋以:.的角度均 匀的扩散到电线或腹板角焊缝的边缘图.,柱腹板受压的有效宽度为: 建如恕 重庆大学硕士学位论文 ’ 盏 蓼直 图.柱腹板受压区有效高度 .若梁翼缘屈服时,柱腹板保持稳定,则应满足下式要求 ?‰‰筑 式中。一梁翼缘厚度; 一柱腹板厚度; 卑?柱翼缘外侧至腹板圆角根部或焊缝焊趾的距离; 如果上式不能满足时,应设置柱腹板水平加劲肋,加劲肋的总截面不小于: ?以一如现 为防止加劲肋屈曲,要求其宽厚比限值为 笠? ‘ 式中色是一加劲肋的宽度与厚度; 一加劲肋总截面面积,/; 梁受拉翼缘传来的荷载,使柱翼缘与相邻腹板处的焊缝拉开,导致柱翼缘 的过大屈曲。 对此种情况,在梁受拉翼缘的作用下,除非柱翼缘的刚度很大,否则柱翼缘 受拉挠曲,腹板附近应力集中,焊缝很容易破坏,对此在试验和理论上均已经 证 明。根据等强度原则,柱翼缘的厚度应满足下式: 麓.净 式中彳。一梁翼缘的截面积; 若不能满足上式,由于柱翼缘刚度不足,将造成焊缝应力分布不均匀,在主 梁受拉翼缘中部,有较高的应力集中,焊缝长度图.的有效值按下式计算: 对工字形截面的梁柱节点: %‰%绪论 对箱形截面的梁柱节点: %砭髯 图.焊缝的有效长度 .一蔷 若有效长度%小于梁翼缘宽度时,对应梁翼缘处应设置加劲肋。 ?.梁一柱节点板域的抗剪承载力 在刚性连接的梁.柱节点连接处,由上下水平加劲肋和柱翼缘所包围的节点 板域,在相当大的剪力作用下,存在着板域首先屈服的可能性,对框架的整体 稳 定性有很大的影响,设计中被视为薄弱环节。对于设置加劲肋的梁柱刚性连 接节 点,加劲肋与箱形柱翼缘和腹板构成的节点域,应该满足下列条件: 节点域体积可按下列公式计算: 巧.观协 式中 ;,一节点区高度即梁腹板的高度; 危一为节点区宽度即柱腹板的高度; 乞一为节点区厚度即柱腹板的厚度; 节点域厚度应该满足下列公式: .节点域抗剪强度应按下式计算: 吼旺 弘 式中五磊熄一节点域两侧梁的弯矩设计值; 工?钢材抗剪强度设计值; .腹板厚度应满足下式要求: 、嚏吃式中;乙一节点区厚度即柱腹板的厚度; 噍一节点区高度即梁腹板的高度; 甩一为节点区宽度即柱腹板的高度; 重庆大学硕士学位论文 .本文研究的主要内容和目的 ..本文研究的主要内容及采用的方法 由前面的国内外研究现状可以看出,国内外对不设置加劲肋的箱形柱和工字 形梁刚性连接节点研究还很少。虽然,箱形柱与形柱在某些方面具有相似,但 是由于其截面性能上的区别,破坏情况也会有所不同;同时箱形柱的连接节点和 矩管的形连接节点也有相似之处,因此,本文借鉴了形柱与工字形梁刚性连 接节点的受力特性和矩管形节点中矩管屈服线形式。本课题分为梁柱刚性连接 中节点和边节点两种情况,本文针对中节点做了大量的有限元分析研究工作,具 体的内容和采用的方法如下: ?通过对此类节点的分析,从材料的本构关系以及基本原理出发选择合适的 有限元分析程序,并选择恰当的参量来分析本文的模型。 ?从建立有限元力学模型出发,合理的选择了有限元分析的各个模型。在 模型的建立过程中做了一些假设,如不考虑焊接残余应力和初始缺陷的影响,采 用理想的弹一塑性材料,考虑对接焊缝与构件具有同样的材质。合理的模型对研究 影响节点性能的因素起到关键性的作用,可以通过固定梁截面不变,变换柱截面的 宽度和壁厚,以及固定柱截面,改变梁翼缘板的宽度来进行组合。 ?对模型进行有限元分析,整理分析后的数据并且总结出影响节点性能的因 素。分析过程中对模型施加荷载时首先通过选择合适的轴压比来确定柱轴力并对 柱施加轴力;再对梁自由端施加节点集中力,直到程序结束计算。通过对分析数 据的整理,描绘出关键点的?曲线,并由此确定柱宽度,柱翼缘厚度,柱宽厚 比,和柱与梁翼缘宽度比四个因素对节点性能的影响关系。 ?根据屈服线形式,推导出在强度条件下当不设置水平加劲扳的箱形桂与 型钢梁刚性连接形成的中节点时,柱壁板厚度的限制条件。计算时采用等强原则, 即屈服线承载力不小于型钢梁传来的集中力。最后将有限元模型分析的结果和 理论计算出来的结果进行比较,简化公式并验证本文的思路和方法是可行 的。 ..本文研究的目的 本文研究的目的是:在非抗震条件下,不设置水平加劲肋的箱形柱与型钢 梁刚性连接中节点中,当箱形柱连接了一条直线上的两根型钢梁且节点为全焊 接节点时,连接节点的强度设计条件。使得出的结论在工程中有所运用,为设计 提供参考。 非线性有限元理论及模型的建立 非线性有限元理论及模型的建立 .非线性有限元法简介 有限单元法的理论基础是变分原理,它的基本思路是把弹性体假想为离散的 小单元等价系统,这些单元的集合体就代表原来的结构。建立每个组成单元的平 衡方程,然后结合起来,引入边界条件,求解整体的平衡方程组,最终得到原来 结构在离散点未知量位移或应力的解答。计算机技术的发展使得这一强有力的现 代数值计算方法得到快速发展,有限单元法借助于计算机,可以获得几乎所有复 杂工程问题的解答。有限单元法作为一个具有坚实的理论基础和广泛应用效力的 数值分析工具,必将在经济建设和科学技术发展中发挥更大的作用,其自身亦将 得到进一步的发展和完善。实际上,用有限元方法可以求解任何实际边值问题的 增量非线性分析。 钢框架梁柱节点在荷载作用下应力一应变状态极其复杂:宏观上节点域有剪 切变形、弯曲变形以及拉伸变形,梁除弯曲变形、剪切变形外,还有失稳后的扭 转变形以及翼缘的翘曲变形;微观上存在钢材内部缺陷、焊接残余应力分布复杂、 焊缝处与其它材料的应力一应变曲线也不相同。塑性变形后应力一应变曲线也不 能再假设为直线,它的性能不能以弹性理论为基础予以解析,只能以塑性设计为 依据将连接节点模型化,寻求与强度准则相符合的平衡解,因此非线性有限元法 是一种有效的方法。 .非线性有限元方程的建立 ..非线性分析概论 引起结构非线性的原因很多,相应的非线性问题可以分成三种主要类型:状 态非线性,几何非线性,材料非线性。 ?状态非线性 许多普通的结构表现出一种与状态有关的非线性行为。结构的刚度由于其状 态的改变在不同的值之间突然变化。本章的分析中,由于节点焊缝考虑为全焊接 焊缝,且焊缝与母材的材料性质相同,故忽略了焊缝相关因素的影响。 ?几何非线性 如果结构经受大变形,它变化的几何形状可能会引起结构的非线性的响应, 将考虑由单元的形状和取向而导致的刚度突变,这种非线性问题称为几何非线性 问题。在梁柱节点的分析中,箱形柱腹板的屈曲,节点域的屈曲,钢梁的腹板和 下翼缘在受力过程中可能发生的屈曲,都会引起几何非线性行为。重庆大学硕士学位论文 ?材料非线性 非线性的应力一应变关系,这是结构非线性的常见原因。弹塑性的非线性应 力一应变关系,可以使结构刚度在不同荷载水平下发生变化。 在实际结构分析中,往往是多种非线性行为共存的。本文所分析的梁一柱节 点同时考虑了几何非线性和材料非线性。 ..屈服准则 所谓屈服准则就是在一般应力状态下材料是否发生屈服的判断依据,它可以 用与单轴测试的屈服应力相比较的应力状态的标量表示。因此,知道了应力状态 和屈服准则,程序就能确定是否有塑性应变产生,它将告诉我们材料受什么 程度 的力时,开始发生塑性变形。对单向受拉试件,可以通过简单地比较轴向应力与 材料的屈服应力来确定是否有塑性变形发生。然而对于复杂的应力状态,就没有 如此简单了。在这种情况下,某一点的应力状态是由六个应力分量确定的,为此 要引进应力空间的概念。应力空间是以应力分量为坐标的空间,在这个空间中, 每个点都代表一个应力状态,根据应力和应变的变化在空间中绘出一条曲线,称 为应力途径。根据代表不同的应力途径的试验所得到的结果,可以写出从弹性阶 段进入塑性阶段的各个临界点即屈服应力点。将这些屈服应力点连接起来,便形 成一个区分弹性与塑性的分界面,这个分界面称为屈服面。描述这个屈服面的数 学表达式称为屈服函数,此函数就是我们要寻求的用解析形式表示的屈服条件。 对于某一点处应力张量函数,仃,可以将其定义为等效应力仃,当等效应 力盯达到材料屈服应力仉时,即: . 料 材料会发生塑性应变。工程中常用的屈服准则主要有两种:最大切应力准则 和畸变能密度准则。 ?最大切应力准则:无论材料处于什么应力状态,只要发生屈服或剪断, 其共同原因都是由于微元内的最大切应力‰达到了某个共同的极值。 ?畸变能密度准则:它由.于年提出的,故又称.屈 服准则。该准则认为:无论材料处于什么应力状态下,只要发生屈服或剪断, 其共同原因都是由于微元内的畸变能密度.达到某个共同的极值:。此准则考 虑 了中间主应力对屈服强度的影响。.屈服准则的表达式为: 盯? . 式中,,,吒为主应力,否为等效应力,是材料单项拉伸的屈服极限。 对于金属材料,这两个准则都适用,但是对于钢材来说,.屈服准则 非线性有限元理论及模型的建立 更接近试验结果。在应力空间中,可以绘出应变函数,为.函数时 .屈服准则示意图图.: 图. .屈服准则示意图 . . 在.应力状态下里,屈服面是一个以仉为轴的圆柱体,在一状 态中,屈服面是一个椭圆,在屈服面以内的任何应力状态都是弹性的,屈服面 外 部的任何应力状态都会引起屈服。本文采用的是.屈服准则。 ..单元刚度矩阵 根据虚功原理可以得到考虑几何非线性和材料非线性后的单元刚度矩阵,如 下: . 【玎后鼍后尼己 式中,【七蓝一弹性刚度矩阵 七】;一几何非线性刚度矩阵 七毫一材料非线性矩阵 ..非线性方程组求解 由单元刚度矩阵【盯【城“西尼,经坐标变化,集成总体刚度矩阵,最 后得到结构的整体刚度矩阵方程: . 】缈俨 式中,【足】一整体刚度矩阵,是位移向量的函数: 【一结构位移列向量; 一结构荷载列向量。 在有限元分析程序中,单元的位移模式,单元的应力.应变关系,单元的平衡 方程和刚度矩阵等均不需要我们建立,等效节点的移植,结构刚度矩阵的组 集也 不需要我们的干预,只需要我们对结构进行离散,用前处理方法进行网格划 分, 给出单元的节点坐标和单元连接数据,给出结构的边界条件包括载荷数据、 材料 性能数据,载荷工况以及选择求解方法即可。以下几节中就有限元程序中需要我 们提供的数据逐一进行说明。重庆大学硕士学位论文 .非线性有限元模型尺寸的确定 ..节点的计算参数 本文研究的节点模型取为箱形柱与型钢梁刚性节点中的中节点。梁采用 型钢截面,柱采用四块钢板焊接而成的箱形截面,节点焊缝采用全焊接焊缝,即 型钢梁翼缘采用焊透的形对接焊缝而腹板采用角焊缝与箱形柱翼缘连接。根据 节点的构成,结构几何模型如图.所示。 图.节点计算参数 . ?梁柱截面 本文选取的具体截面尺寸如..节所述。 ?节点类型 只包括焊接节点,型钢梁翼缘采用焊透的形对接焊缝而腹板采用角焊缝 与柱翼缘连接。 ?箱形柱高度 近似认为柱的反弯点位于框架柱的中部,再综合普通框架结构的层高,本文的 柱截面高度取用。 ?型钢梁的长度 近似认为型钢梁的自由端在框架梁的反弯点处,根据此本文型钢梁的净 长取为。 ?荷载类型 本文研究节点在轴向压力,弯矩和剪力共同作用下的受力情况。对箱形柱旋 非线性有限元理论及模型的建立 加集中压力提供节点所需的轴向压力,对梁两端施加等量的集中荷载为节点 提供 对称的弯矩和剪力。 ..模型截面尺寸的确定 ?钢梁采用窄翼缘型钢和焊接型钢两种截面形式的梁。窄翼缘型钢 梁为:,.,,, ;焊接型钢梁为:,, 。共八种截面尺寸。 ?箱形截面柱采用四块钢板焊接而成的等宽等厚方形柱图.,为了满足 局部稳定的要求,板件的宽厚比必须满足: . 鲁?喉争?堠 图.箱形柱截面 . ? 在对箱形柱与型钢梁进行组合时,遵循以下四个基本原则: ?选定一种型号的型钢梁,通过固定柱翼缘板的厚度,变换柱截面宽度进 行组合,考察柱宽度对节点性能的影响,此类组合定义为系列; ?选定一种型号的型钢梁,通过固定柱截面宽度,变换柱翼缘板的厚度来 进行组合,考察柱壁板厚度对节点性能的影响,此类组合定义为系列; ?通过对、系列的分析可知柱翼缘的厚度和柱截面宽度共同影响节点性 能,综合这两个因素考察柱宽厚比对节点性能的影响,此组合定义为系列; ?选定一种型号的箱形柱截面,通过变换梁翼缘的宽度来进行组合,考察柱 与梁翼缘宽度比对节点性能的影响,此类组合定义为?系列; 根据以上的组合原则,选取了种截面尺寸的箱形柱截面,与个型钢梁 组合得到有限元模型编号如表...所示。表中编号如//,其中 /中的表示为箱形柱,/表示为宽度为,柱翼缘板厚为: /中的表示为型钢梁,/表示为型钢梁的高度为,宽度 重庆大学硕士学位论文 为。因此编号//表示为箱形柱×与型钢梁 ×的组合编号。 表.轧制型钢与箱形柱组合时的模型编号 . ?× . × × ? / / / / / × / / / 唰 / / / / / / × / / / / , / / / , / × / / / / / / / / / / ×× / / / / ,, / / / , /” × / / , / / / / / / / ×× / / / / / , / / , / ×× / / / 伦 , / / / / / × / / / / / / / / / / ×× / / / , 表.焊接型钢与箱形柱组合时的模型编号 . \ ×× // // ,/ ×× ,/ /, // × // // // 根据上表模型编号和四个基本原则将每个系列的模型分组,每系列的各组模 型编号如表..所示。 非线性有限元理论及模型的建立 表. 系列各组模型编号 . , / / / / 第一组 , / / / / , / / / , 第二组 , / / / / / , / / / 第三组 / / / / / / / / ,『 第四组 / / / / , / , / / , 第五组 / / / / 表. 系列各组模型编号 . / / 蚴 , / 第一组 / / / / / / , , / / 第二组 , / / / , / , / / / 第三组 / / / / / / / 出 , / 第四组 , / / , / , / , / / 第五组 / / / / / 表. 系列各组模型编号 . / / / / / 第一组 / / , / / / / , / 第二组 伽佗 / / / / / / , / / 第三组 / / , / , 表. 系列各组模型编号 . ? , ,『 / / 第一组 / , / /重庆大学硕士学位论文 续上表 /. / / / 第二组 / / / / / 婵 彤 纪 第三组 / / / , .非线性有限元模型属性定义 ..非线性有限元程序的选择 自从上世纪年代第一次提出“有限单元法”这个概念以来,经过 年的发展,如今它已经成为工程分析中应用最广泛的数值计算方法。伴随着 计 算机科学和计算机技术的飞速发展,有限单元法现已成为计算机辅助设计和 计算 机辅助制造的重要组成部分。美国公司开发的大型通用有限元 软件,经过三十余年的发展,已经成长为业界最为流行的分析软件之一。具 有强大的有限元分析能力和友好的前后处理功能,用户可以通过方式完成几 何模型建立、网格划分和约束旌加过程,还提供了参数化设计语言, 将整个建模和计算过程编制成输入文件,全面考虑前面提到的设计参数,一次性 完成各个模型的输入和求解过程,极大地减少了重复建模的工作量。拥有 多种功能强大的求解器,可以对非线性问题和动力问题较好地进行分析,同时支 持子结构、子模型、单元生死等高级分析技术,并且可以模拟点与点、点与面、 面与面之间的接触问题,为工程问题的研究提供了有力的工具。基于此本文选择 .程序进行结构有限元分析。 本节针对梁.柱连接节点建立三维有限元模型进行计算分析,整个过 程包括模型基本属性定义,模型前处理以及模型后处理三大部分。 ..模型的基本假定 影响节点性能的因素很多,如前章绪论部分所介绍,节点焊缝是导致节点脆 性破坏的主要原因,材料的几何缺陷、焊接缺陷以及焊接残余应力影响着节点性 能。但是为了简化模型,本文在进行有限元分析之前做了如下基本假定: ?.箱形柱、型钢梁所用的钢材均为钢,屈服强度为; ?.钢材为理想弹.塑性材料: ?。不考虑节点本身自重对模型计算的影响; ?.焊缝的材质与箱形柱、型钢梁材质相同,不考虑焊接残余应力和焊接缺 陷的影响; ?.不考虑构件初始缺陷的影响; ?.采用大挠度理论;非线性有限元理论及模型的建立 ?.不考虑节点在受压过程中出现的稳定问题: ..定义单元属性 在程序中,用于模拟非线性结构分析的单元很多,针对不同的分析问 题,分别有不同的适用单元。根据相关资料记载,梁柱节点曾经用过单元 和单元进行模拟,但是在采用单元进行分析时,当单元网格数量 过多时,分析速度会很慢。综合前人的经验和本文的结构特点,本文采用了 图.单元对箱形柱与型钢梁组成的节点进行模拟分析。 . ? 暑’. 图. 单元几何特征 . 单元适合分析较薄的或者中等厚度的壳体。它是一个四节点单元,每 个节点有个自由度,分别是沿方向的平动自由度,沿方向的平动自由度, 沿方向的平动自由度,沿方向的扭转自由度,沿方向的扭转自由度,沿 方向的扭转自由度。单元非常适用于分析线性的,大转动变形的和非线性的 结构 分析,壳体厚度可以变化是为了适应非线性分析。在该单元的应用范围内, 完全 积分和降阶积分都是适用的。三角形选项只在该单元做为充填单元进行网格 划分 时才会用到。 此单元的几何特性,节点的位置及坐标系参见图. 单元的几何 图。 该单元由四个节点定义而成:,,,。可以用实常数或者横截面定义来 定义该单元的厚度或者其他的一些参数。单元的厚度可以在其各个节点定义,在 该单元内,其厚度的变化被认为是光滑的。如果该单元各处的厚度一样,是个常 重庆大学硕士学位论文 数,那么只需输入节点的厚度即可。 ..定义材料性质 材料采用各向同性的理想弹一塑性材料,弹性模量层取为.×,泊松 比/取为.。有限元分析采用的应力?应变关系如图.所示,采用双折线模型, ,对应 第一段为斜直线,第二段直线为水平段,材料的屈服强度工。为 的屈服应变占为.%。 图.应力.应变关系曲线 . ?.有限元模型前处理 ..单位的统一 程序中没有单位制的限制,即结构分析时的单位取决于计算者,但是 在结构分析时,输入数据的单位必须统一,不能随意确定。本文建模和参数设置 时输入的长度单位为毫米,力的单位为牛顿?。根据这个原则,得出弹性 模量的单位/,应力盯的单位为/,位移的单位为 。本文下章中有限元模型的变形图和应力云图的单位分别为,膨阮。 ..施加约束条件 边界的模拟是有限元分析中的一个非常重要的步骤。本文在模拟边界约束条 件时,采用约束柱上下端面节点的三个方向的位移的方法来模拟柱上下面 的铰接。示意图如图.所示。 在图示坐标系中,根据右手定则,轴为垂直纸面向外。在柱顶,约束, 方向位移;在柱底,约束,,三个方向的位移;同时为了防止梁在受集中力 的过程中发生扭曲而不利于力的传递一传递弯矩和剪力给节点区,因此侧向 向 约束梁翼缘,梁~端连接在柱翼缘板上,另一端自由。非线性有限元理论及模 型的建立 图.模型的边界约束 . ..网格划分 用程序进行分析前,首先应该对结构的几何模型进行网格划分,当 计算方法和边界条件确定以后,几何模型网格划分的好坏将直接影响计算结 果的 准确性。 图.有限元模型 .本文采用的是壳单元,此单元为面单元,根据前人总结的划分网 格的经验,单元的大小以及几何模型的最小尺寸确定十分关键。网格过大影 响计算的精度,不满足精度的要求,网格过小计算量加大,消耗的时间也相应增 重庆大学硕士学位论文 加从而难以满足时间的要求。本文经过多次试算后,最终采用的标准面单 元,厚度方向不再分层。有限元模型与节点细部图如图.?.所示。 图.节点细部 . ..施加荷载 ?.施加箱形柱轴力 《钢规》..中规定,塑性设计中的压弯构件的压力?不应该大于., 本文的节点为弹一塑性设计,在参考塑性设计中压弯构件压力值的基础上,取柱 轴压比玎.时的压力值作为施加在箱形柱柱顶轴力值的大小,轴力值?的大小 为: .厂.×/聊‖ . 式.中的?为面荷载,鉴于本文模型选用的是面单元,且构 件在厚度方向只分为一层,因此轴心荷载必须以线荷载的形式施加在柱壁板的横 截面上。随着柱壁板厚度不同,施加在柱顶的线荷载也会有所不同,根据线荷 载‘ 与面荷载?的换算关系可以用下式表达: ’ . 式中为柱壁板的厚度。根据式.以得出柱顶线荷载?’的值如表格.所示。 表.拄顶线荷载 忙 仁 卢 忙 柱板件厚度聊功 燃/ ?.施加型钢梁梁端集中力 本文通过对梁端对称的施加节点集中荷载将力传给梁柱节点区,提供节点区 弯矩和剪力。施加荷载时,对节点最大变形小于节点变形限值的模型施加梁端荷非线性有限元理论及模型的建立 载直到模型无法继续承载。对节点最大变形大于节点变形限值的模型,施加梁端 荷载直到节点变形达到变形限值为止。分析过程中,须先对模型初步施加一个集 中力进行试算。表.中的数据均为经多次试算,试算成功时,施加在梁端集中力 ,’大小。 表.梁端集中荷载初步值 . 模型编号 模型编号 模型编号 。 。 ’ /屿 // // ,屿 // ,/ // // // // ,/ /, ,/ // // // ,,/ ,/ / 陀 // // /毗 // / /, ,/ ,/ // // /毗 // // /, // 忆/ /眦 ,/ // ,, /, // ,/ , ,/ ,/ // //嫡您乜 ,/ 绝晓 /毗,, // ?.设置载荷步骤: 模型施加荷载的过程中共分两个荷载步: 先施加柱轴力,定义为荷载步,荷载步结束的时间设为,子步设为, 由于轴力作用下不会引起节点的屈曲,本文只需了解轴力作用完毕时节点的应力重庆人学硕士学位论文 分布和变形情况,故为了节约计算时间和空间,取子步为。 施加梁端集中力,此为荷载步。荷载步结束的时间设为,子步初步设 为,计算过程中由程序自动调整。荷载的施加采用线性加载方式,即每个子步 施加的荷载值根据加载的次数平均计算而得。 ..模型求解 根据以上.、.、.节通过对模型一系列参数的设置以及载荷的施加后, 打开大应变效应对结构进行静态分析,分析过程中,使用完全的牛顿一拉普森. 法来修正结构的正切刚度矩阵,并且输出每一个子步的分析结果。求解过程中, 由于事先已经设置好加载顺序,因此,程序在分析完第一荷载步轴力之后自动进 入第二荷载步集中力的计算,待两个荷载步计算完毕后,进行模型的后处理,得 出了下章所述的节点的变形图和应力云图。模型计算结果的分析 模型计算结果的分析 .有限元分析计算结果 根据模型受力情况,节点在柱轴力和梁端集中力的共同作用下,受力图如 图.所示。 图.