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无焊接工艺孔钢结构梁柱节点的抗震性能试验及其有限元分析

作　者: 李文明
导　师: 李军
学　校: 青岛理工大学
专　业: 结构工程
关键词: 无工艺孔节点有限元分析试验抗震性能
分类号: TU391
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

本文以国内涉足较少的无焊接工艺孔钢结构梁柱节点为研究对象,首先为了预测脆性断裂的可能性,通过有限元热分析明确有、无工艺孔节点施焊后的温度和残余应力分布情况;其次通过有限元分析和试验分别对有、无工艺孔节点在低周往复荷载作用下的抗震性能进行比较分析。旨在为我国提供一种新型钢结构梁柱节点,为钢结构工程设计提供参考,具有一定的科学意义。研究工作的主要内容和成果如下:(1)利用ANSYS软件,采用生死单元技术对有、无工艺孔节点进行有限元热分析。用热-结构耦合直接法模拟焊缝分层施焊过程,焊缝初始温度设定为1500℃,最后冷却到室温20℃。计算分析结果表明:无工艺孔节点的焊接残余应力在梁翼缘和腹板交叉处较为突出,有工艺孔节点的焊接残余应力在梁翼缘和腹板交叉处、梁腹板角焊缝端部即工艺孔端部较为突出。不过由于工艺孔具有一定的散热能力,故有工艺孔节点在翼缘和腹板交叉处的焊接残余应力相对较小。(2)考虑焊接残余应力对于非线性分析结果影响不大,结构加载分析部分忽略残余应力,利用ANSYS软件对有、无工艺孔节点在低周往复荷载作用下的性能进行了对比研究。结果表明:无工艺孔节点的承载力和塑性变形能力均有所提高,承载力提高幅度更大。(3)采用MTS液压伺服加载设备进行有、无工艺孔节点的抗震性能试验研究。结果表明:有工艺孔节点较早地出现脆性断裂,裂缝始于与梁翼缘和腹板交线重合的工艺孔端部,滞回曲线捏缩;无工艺孔节点没有发生脆性断裂,滞回曲线比较饱满,表现较好的耗能性能,最大荷载和塑性转角均明显高于有工艺孔节点。通过对有、无工艺孔节点的试验和有限元分析结果的比较,表明ANSYS有限元分析能够较好地分析两种节点的抗震性能,与试验结果的符合程度较好。上述研究表明,无工艺孔节点尽管在加工工艺上有一定的难度,但在我国应用不无可能。本研究已初步证明该类节点的性能优势,作为一种新型节点,还有待于更深入的研究。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-9
第1章绪论  9-18
  1.1 选题背景和意义  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-16
    1.2.1 国外研究现状及分析  10-12
    1.2.2 国内研究现状及分析  12-16
  1.3 研究内容  16-17
  1.4 论文的构成  17-18
第2章有、无工艺孔节点梁端焊接残余应力分析  18-39
  2.1 焊接模拟的有限元分析基本理论  18-23
    2.1.1 ANSYS软件功能  18-19
    2.1.2 焊接过程有限元分析特点  19-20
    2.1.3 焊接有限元模型的简化  20-22
    2.1.4 焊接应力和应变的分析理论  22
    2.1.5 焊接热源模型的选取  22-23
  2.2 数值模拟  23-28
    2.2.1 分析方法  23-24
    2.2.2 几何模型  24-25
    2.2.3 无工艺孔节点构造与施工方法  25
    2.2.4 材料特性参数  25-26
    2.2.5 单元类型  26
    2.2.6 网格划分  26-28
    2.2.7 约束条件  28
  2.3 温度场计算结果分析  28-31
    2.3.1 节点温度云图  28-30
    2.3.2 节点温度路径  30-31
  2.4 焊接残余应力场计算结果分析  31-34
    2.4.1 残余应力分布云图  31-33
    2.4.2 残余应力路径  33-34
  2.5 焊接残余应变计算结果分析  34-35
    2.5.1 残余应变分布云图  34
    2.5.2 残余应变路径  34-35
  2.6 焊接残余应力对脆性断裂的影响  35-38
    2.6.1 焊缝上RI 值分析  36-37
    2.6.2 有工艺孔节点工艺孔边缘处RI 值分析  37-38
  2.7 本章小结  38-39
第3章有、无焊接工艺孔节点非线性有限元分析  39-53
  3.1 数值模拟  39-42
    3.1.1 材料特性参数  39
    3.1.2 单元选取及网格划分  39
    3.1.3 约束条件  39-41
    3.1.4 ANSYS求解设定  41
    3.1.5 加载制度  41-42
  3.2 计算结果分析  42-52
    3.2.1 应力分布云图  42-47
    3.2.2 滞回曲线  47-48
    3.2.3 梁端塑性转角和总转角  48-50
    3.2.4 骨架曲线  50
    3.2.5 等效粘滞阻尼系数he  50-51
    3.2.6 位移延性系数μ  51-52
  3.3 本章小结  52-53
第4章循环往复荷载作用下的有、无工艺孔节点试验  53-67
  4.1 材性试验  53-55
  4.2 试验装置  55-57
    4.2.1 加载设备及装置  55-56
    4.2.2 数据采集及量测设备  56-57
  4.3 试验现象  57-59
    4.3.1 有工艺孔节点  57-58
    4.3.2 无工艺孔节点  58-59
  4.4 试验数据分析  59-62
    4.4.1 滞回曲线  59
    4.4.2 梁端塑性转角和总转角  59-61
    4.4.3 骨架曲线  61-62
    4.4.4 等效粘滞阻尼系数he  62
    4.4.5 位移延性系数μ  62
  4.5 试验结果与有限元结果对比分析  62-66
    4.5.1 主要参数对比分析  62-64
    4.5.2 受力、破坏形态对比分析  64-65
    4.5.3 滞回性能的对比分析  65-66
  4.6 本章小结  66-67
第5章结论与展望  67-69
  5.1 结论  67-68
  5.2 展望  68-69
参考文献  69-74
攻读硕士学位期间发表的学术论文、参加的科研实践工作及获奖情况  74-75
致谢  75

无焊接工艺孔钢结构梁柱节点的抗震性能试验及其有限元分析

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