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节点域厚度对钢节点受力性能影响的研究

作　者: 陈飞
导　师: 董锦坤
学　校: 辽宁工业大学
专　业: 结构工程
关键词: 钢结构梁柱节点节点域有限元滞回曲线延性
分类号: TU391
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

钢结构具有质量轻、延性好、结构形式灵活、节能效果优良、施工速度块、环保效果好等优点，因此被当今社会广泛采用。钢结构的节点是其受力最复杂的部位，也是保证其正常工作、优良性能的关键部位。因此节点成为目前钢结构研究的一个重要方向。在钢结构的梁柱节点中，梁柱连接处的柱两侧翼缘及柱中横向加劲肋所包围的柱腹板区域称为节点域。在荷载作用下，该区域同时承受着梁和柱分别施加的各种作用，有着复杂的应力状态，对节点的受力性能有着巨大的影响。本文的主要目的在于：采用普通型梁柱节点（Normal Beam Joint,NBJ）及梁翼缘削弱型节点（Reduced Beam Joint,RBJ），以节点域作为研究对象，研究讨论节点域厚度对节点整体受力性能的影响。本文回顾了关于钢结构梁柱节点的国内外研究现状，介绍了大型有限元软件ABAQUS及有限元分析方法，借鉴大量文献中的相关经验，参照《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）和《钢结构设计规范》（GB50017-2003）的相关要求，设计了有限元模型试件，并确立了以节点域厚度做为唯一变量的变化梯度：4mm、6mm、9mm、12mm、15mm、20mm。利用ABAQUS软件建立试件模型，并进行低周往循环位移加载下的有限元模拟试验。根据模拟试验的结果，通过Mises应力云图、PEEQ云图、滞回曲线、骨架曲线、延性系数μ、等效粘滞阻尼系数h e、等效刚度K以及等效刚度退化系数Ψ，从应力集中现象的发展、弹性变形的发展、塑性变形的发展、承载力的发展、塑性铰的形成、滞回性能、延性性能、抗震耗能能力、损伤退化规律多个角度研究了节点域厚度对节点受力性能的影响。通过研究得出以下规律：节点域越厚，节点应力集中现象越不易在节点域上形成，与柱连接的梁端翼缘及翼缘削弱处越容易成为首先发生应力集中的部位；节点域厚度越厚，节点处于弹性受力阶段的时间越长，弹性位移越大，弹塑性变形开始的时间越晚；节点域越厚，节点域越不易屈服，与柱连接的梁端翼缘及翼缘削弱处越容易成为首先发生屈服的部位；节点域越厚，节点的屈服荷载越大；伴随着节点域厚度由小变大，节点的屈服部位有三种情况，且发展顺序为：仅节点域屈服、节点域和连接柱的梁端翼缘、翼缘削弱处共同屈服、仅梁屈服；塑性铰在节点域处形成时，节点域越厚，出现塑性铰的时间越晚；节点域厚度对节点达到极限承载力的时间没有影响；节点域越厚，节点的极限承载力越大，但当节点域厚度足够大后，梁会发生整体屈曲或侧移，限制了节点极限承载力的发展，极限承载力随节点域厚度的增长，变化缓慢并趋于稳定；梁未发生整体屈曲或侧移时，节点域越厚，加载结束时刻节点的残余承载力越大，可达到极限承载力的85%-90%，其承载力损失较小。当梁发生整体屈曲或侧移时，节点域越厚，残余承载力越小，仅为极限承载力的30%-50%，其节点承载力损失严重；节点域越薄，柱越容易发生局部屈曲，且发生屈曲的时间越早；节点域越厚，梁越容易发生整体屈曲或侧移，且发生屈曲和侧移的时间越早；节点域越厚，节点的滞回性能越好；当节点域厚度较小时，节点具有较好的延性性能和抗震耗能能力，随着节点域厚度的增加节点的延性性能和耗能能力不断下降；节点域厚度适中时，有较好的抵抗刚度退化的能力。节点域厚度过大或过小刚度退化现象都较为明显；弹性受力阶段节点的的刚度是个恒量，不发生刚度退化及刚度强化现象；节点域厚度越厚，节点的初始刚度越大。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
1 绪论  11-20
  1.1 研究背景  11-12
  1.2 钢结构介绍  12-14
    1.2.1 钢结构的发展及应用  12-14
    1.2.2 钢结构的优点  14
  1.3 钢节点  14-18
    1.3.1 节点的概念及分类  14-15
    1.3.2 影响节点性能的因素  15-16
    1.3.3 节点域  16-18
  1.4 国内外的研究现状  18-19
    1.4.1 国内研究现状  18-19
    1.4.2 国外研究现状  19
  1.5 本文研究目的  19-20
2 有限元软件介绍及模型参数设置  20-29
  2.1 有限元软件 ABAQUS 总体介绍  20
  2.2 相关理论  20-22
    2.2.1 有限元理论  20-21
    2.2.2 塑性理论  21-22
    2.2.3 非线性问题  22
  2.3 有限元软件 ABAQUS 主要模块介绍  22-27
    2.3.1 部件（Part）  24
    2.3.2 特性（Property）  24
    2.3.3 装配（Assembly）  24-25
    2.3.4 分析步（Step）  25-26
    2.3.5 相互作用（Interaction）  26
    2.3.6 荷载（Load）  26
    2.3.7 网格（Mesh）  26-27
    2.3.8 分析作业（Job）  27
  2.4 有限元模型参数设置  27-28
    2.4.1 分析步  27-28
    2.4.2 网格  28
    2.4.3 边界条件  28
    2.4.4 相互作用  28
  2.5 本章小结  28-29
3 有限元模拟试验设计  29-48
  3.1 ABAQUS 有限元模型试件尺寸确定  29-40
    3.1.1 试件设计的参考依据  29-32
    3.1.2 梁柱及节点域厚度的确定  32-39
    3.1.3 加劲肋尺寸的确定  39-40
  3.2 材料本构关系  40-44
    3.2.1 钢材本构关系基本模型介绍  40-41
    3.2.2 Q345 的本构关系  41-44
  3.3 加载制度  44-46
  3.4 本章小结  46-48
4 NBJ 系列模拟试验结果分析  48-82
  4.1 节点有限元模型介绍  48
  4.2 应力云图分析  48-63
  4.3 滞回性能分析  63-68
    4.3.1 滞回曲线的概念  63
    4.3.2 结果分析  63-68
  4.4 骨架曲线分析  68-71
    4.4.1 骨架曲线的概念  68
    4.4.2 结果分析  68-71
  4.5 延性性能分析  71-74
    4.5.1 延性的概念  71-72
    4.5.2 结果分析  72-74
  4.6 耗能能力分析  74-76
    4.6.1 等效粘滞阻尼系数的概念  74
    4.6.2 结果分析  74-76
  4.7 损伤退化性能分析  76-80
    4.7.1 损伤退化的概念  76
    4.7.2 结果分析  76-80
  4.8 本章小结  80-82
5 RBJ 系列模拟试验结果分析  82-110
  5.1 节点有限元模型介绍  82
  5.2 应力云图分析  82-95
  5.3 滞回性能分析  95-97
  5.4 骨架曲线分析  97-99
  5.5 延性性能分析  99-101
  5.6 耗能能力分析  101-104
  5.7 损伤退化性能分析  104-108
  5.8 本章小结  108-110
6 结论与展望  110-113
  6.1 结论  110-112
  6.2 展望  112-113
参考文献  113-115
攻读硕士期间发表学术论文情况  115-116
致谢  116

节点域厚度对钢节点受力性能影响的研究

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