發(fā)布時間：2017-07-18 05:11

  本文關(guān)鍵詞：受沖擊鋼框架結(jié)構(gòu)梁—柱連接性能的實驗與數(shù)值分析

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【摘要】：梁-柱節(jié)點作為鋼框架中一個重要的組成部分,對整個結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能有著十分重要的作用,節(jié)點一旦發(fā)生破壞可能會導(dǎo)致整個建筑物發(fā)生坍塌,造成不可估量的損失。國內(nèi)外學(xué)者對于鋼框架梁柱節(jié)點的研究已經(jīng)很多,這些研究主要集中在靜力范圍內(nèi),然而,我們生活中的各種建筑物正日益受到各種極端動荷載的影響,如爆炸、高空墜物等等,這些極。端荷載對于結(jié)構(gòu)的影響與靜力荷載條件下的結(jié)構(gòu)行為是不同的。另一方面,目前對于鋼框架梁-柱節(jié)點沖擊力學(xué)性能的研究少之又少,國內(nèi)規(guī)范對承受沖擊荷載等動荷載的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計也尚無相關(guān)的規(guī)定,因此對鋼框架梁-柱節(jié)點的抗沖擊性能進(jìn)行深入的分析和研究顯得尤為重要。本文國內(nèi)首次對鋼框架梁柱連接進(jìn)行抗沖擊性能實驗研究,考察了兩種沖擊能和三種梁柱連接形式對鋼框架抗沖擊性能的影響,同時結(jié)合有限元數(shù)值模擬的方法對這一問題進(jìn)行深入探索。此后,參考文獻(xiàn)[40]中T型件實驗數(shù)據(jù)建模,對螺栓端板工作協(xié)調(diào)性進(jìn)行初步探討,主要開展以下幾個方面的工作：(1)首先結(jié)合《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和數(shù)值模擬技術(shù)設(shè)計了鋼框架構(gòu)件,利用高性能沖擊實驗臺進(jìn)行沖擊實驗,測量鋼框架橫梁豎向、側(cè)向位移及截面內(nèi)力,并用高速攝像機捕捉?jīng)_擊過程各瞬時連接行為特征,分析了連接破壞模式。研究表明外伸式端板螺栓連接鋼框架螺栓在拉力作用下呈延性破壞,斷面纖維狀,而平齊式連接鋼框架螺栓在巨大剪力作用下發(fā)生典型脆性斷裂,斷面平齊光滑。(2)運用非線性有限元程序ABAQUS/Explicit建立鋼框架梁-柱連接數(shù)值分析模型,詳細(xì)介紹了有限元建模過程的各項技術(shù)細(xì)節(jié),如單元的選擇、材料模型以及接觸對的定義,并對沖擊實驗過程中鋼框架的動力響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值分析。通過偽應(yīng)變能與系統(tǒng)內(nèi)能的比值以及數(shù)值計算結(jié)果與沖擊實驗結(jié)果的對比證明了模型計算結(jié)果的正確性。(3)分析了沖擊過程的沖擊力時程曲線、動彎矩-轉(zhuǎn)角曲線和沖擊力-跨中位移曲線等特征量。通過比較可以看出,鋼框架在沖擊荷載作用下的響應(yīng)可以根據(jù)沖擊力時程曲線劃分為三個階段：撞擊階段,穩(wěn)定階段和反彈階段。在撞擊階段(包括了各特征量的第一、二峰值),鋼框架所受的沖擊力、節(jié)點彎矩迅速增大至峰值,相對應(yīng)的位移和轉(zhuǎn)角也迅速增大：穩(wěn)定階段是轉(zhuǎn)角、位移發(fā)展的主要階段,也是沖擊力做功和節(jié)點耗能的主要階段；由于鋼材的延性性能,當(dāng)落錘離開后,彈性變形部分恢復(fù),此即為反彈階段。(4)從能量轉(zhuǎn)化角度分析了不同連接形式的鋼框架的抗沖擊性能,提出了能量轉(zhuǎn)化比(ET)的概念,用以表征鋼結(jié)構(gòu)吸收沖擊能量的能力,其值為鋼框架塑性發(fā)展所耗散的能量與系統(tǒng)初始動能的比值,此后分析了結(jié)構(gòu)各組成部分對結(jié)構(gòu)吸收沖擊能的貢獻(xiàn)。(5)參考文獻(xiàn)[40]中T型件實驗數(shù)據(jù),利用ABAQUS/Implicit進(jìn)行數(shù)值建模,通過與實驗結(jié)果的對比驗證模型的正確性,分析了極限狀態(tài)承載力以及延性性能。結(jié)果表明：①鋼框架的能量轉(zhuǎn)化比與節(jié)點形式無關(guān)。對于不同的梁柱連接形式的框架,當(dāng)初始動能相同時,盡管各組成部分吸收沖擊能有所差別,但是整體來說基本相同。②平齊式連接由于對梁端的約束較差,因此梁的塑性發(fā)展更為深入,能量轉(zhuǎn)化比更大,其次為外伸式連接鋼框架的橫梁能量轉(zhuǎn)化比和全焊接連接鋼框架橫梁能量轉(zhuǎn)化比；半剛性連接中柱的塑性發(fā)展基本可以忽略不計,而在剛性連接鋼框架中,柱的能量轉(zhuǎn)化比較大,約為整體的1/5,塑性變形發(fā)展也更加深入,這與實驗中框架變形相吻合。③當(dāng)初始動能一定時,鋼框架將會吸收相同的沖擊能并將其轉(zhuǎn)化為自身塑性變形；當(dāng)系統(tǒng)的初始動能不同時,初始動能越大,其能量轉(zhuǎn)化比越大。同時,對于端板和螺栓二者來說,當(dāng)撞擊物初始動能較小時,連接處以端板受力塑性變形為主,而當(dāng)撞擊物動能較大時,連接處以螺栓群的塑性發(fā)展為主。④梁作為主要的耗能元件,當(dāng)梁柱連接形式相同時,其能量轉(zhuǎn)化比可以近似取為恒值。
【關(guān)鍵詞】：鋼框架 梁-柱連接 沖擊荷載 數(shù)值模擬 沖擊力時程曲線 動彎矩-轉(zhuǎn)角曲線 能量轉(zhuǎn)化比 T型件 工作協(xié)調(diào)性
【學(xué)位授予單位】：山東建筑大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TU391
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 緒論11-21
• 1.1 研究背景和研究意義11-13
• 1.2 鋼結(jié)構(gòu)梁.柱連接的分類13-15
• 1.3 梁-柱連接國內(nèi)外研究進(jìn)展15-20
• 1.3.1 鋼材動力力學(xué)性能研究15-18
• 1.3.2 靜載下梁-柱連接研究18-19
• 1.3.3 動荷載下螺栓連接的研究19-20
• 1.4 本文主要研究內(nèi)容、研究方法20-21
• 第二章 鋼框架在沖擊荷載下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的實驗研究21-36
• 2.1 構(gòu)件設(shè)計與分組21-23
• 2.2 材料實驗23-24
• 2.3 沖擊實驗裝置和測量儀器24-27
• 2.3.1 固定支座的設(shè)計24
• 2.3.2 落錘沖擊實驗系統(tǒng)24-25
• 2.3.3 實驗測試儀器和測試方法25-27
• 2.4 實驗流程及實驗方法27-28
• 2.5 實驗結(jié)果和分析28-35
• 2.5.1 殘余變形28-33
• 2.5.2 應(yīng)變時程曲線33-34
• 2.5.3 構(gòu)件抗沖擊性能分析34-35
• 2.6 本章小結(jié)35-36
• 第三章 鋼框架落錘撞擊實驗的數(shù)值模擬36-48
• 3.1 有限元基本理論及ABAQUS軟件介紹36-37
• 3.1.1 有限元法求解的基本步驟36
• 3.1.2 有限元軟件ABAQUS的簡單介紹36-37
• 3.2 有限元模型的建立37-42
• 3.2.1 模型簡化37-38
• 3.2.2 單元類型38-39
• 3.2.3 材料模型39-41
• 3.2.4 接觸關(guān)系41-42
• 3.3 沖擊實驗數(shù)值計算可靠性驗證42-47
• 3.3.1 偽應(yīng)變能對數(shù)值計算的影響42-43
• 3.3.2 數(shù)值計算與實驗結(jié)果的對比分析43-47
• 3.4 本章小結(jié)47-48
• 第四章 鋼框架沖擊荷載下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的特征量分析48-58
• 4.1 基于受力與變形角度的分析48-52
• 4.1.1 沖擊力時程曲線48-49
• 4.1.2 動彎矩-轉(zhuǎn)角曲線和沖擊力-跨中位移曲線49-52
• 4.2 基于能量轉(zhuǎn)化角度的分析52-57
• 4.2.1 沖擊過程中的能量轉(zhuǎn)化52-54
• 4.2.2 撞擊物的初始動能對于鋼框架能量轉(zhuǎn)化比的影響54-57
• 4.3 本章小結(jié)57-58
• 第五章 螺栓與端板工作協(xié)調(diào)性探討58-69
• 5.1 T型連接模型的相關(guān)研究58-60
• 5.2 T型件有限元模型60-65
• 5.2.1 T型件有限元建模60-63
• 5.2.2 有限元模型的驗證63-65
• 5.3 T型件螺栓翼緣工作協(xié)調(diào)性初步探討65-68
• 5.4 本章小結(jié)68-69
• 第六章 結(jié)論與展望69-71
• 6.1 主要結(jié)論69-70
• 6.2 工作展望70-71
• 參考文獻(xiàn)71-74
• 致謝74-75
• 攻讀碩士學(xué)位期間論文發(fā)表及科研情況75

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：556115