《门式刚架半刚性节点的刚度分析.1doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《门式刚架半刚性节点的刚度分析.1doc（46页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、沈阳建筑大学毕业设计(论文)门式刚架半刚性节点的刚度分析第一章 绪 论1.1轻型门式刚架结构的介绍人们对轻钢建筑的认识最初理解只是自重轻,主要指最常见的单层(含夹层)实腹式钢架轻型钢结构金属面板房屋。但事实上，具有同样“轻”的特点的金属建筑还很多，如轻型多层钢结构房屋，轻型波形折皱拱壳屋盖(房屋)，轻型桁架屋盖，轻型板片空间结构屋盖(房屋)等，其结构形式迥然。要严格定义轻钢建筑是困难的，综合其共同的结构特点，本文给出如下定义:轻钢建筑亦称轻型钢结构建筑，是指以轻型冷弯薄壁型钢、轻型焊接和高频焊接型钢，薄钢板，薄壁钢管，轻型热轧型钢及以上各构件拼接、焊接而成的组合构件等为主要受力构件，大量采用轻
2、质围护隔离材料的低层和多层建筑1。轻钢建筑结构具有如下特点:（1）构造简单，材料单一容易做到设计标准化定型化，构件加工制作工业化，现场安装预制装配化程度高。销售、设计、生产可以全部采用计算机控制，产品质量好，生产效率高。（2）自重轻。降低了基础材料用量，减少构件运输、安装工作量，并且有利于结构抗震。（3）工期短。构件标准定型装配化程度高，现场安装简单快速，一般厂房仓库签定合同后2-3个月内可以交付使用。因为没有湿作业，现场安装不受气候影响。（4）可以满足多种生产工艺和使用功能的要求。轻钢建筑结构体系在建筑造型、色彩以及结构跨度、柱距等方面的选择上灵活多样，给设计者提供了充分展示才能的条件。（5
3、）绿色环保轻钢建筑结构属于环保性、节能性产品，厂房可以搬迁，材料可以回收。（6）价格适宜。随着我国钢产量的增加，钢材价格的下调，竞争的激烈，轻钢结构建筑与同类砖混结构建筑相比，造价持平或略低。低层轻钢建筑指两层以下(含两层)的轻钢房屋建筑，主要有实腹式、门式刚架或排架，也可采用格构式构件。其各榀钢架(含端墙体系)靠墙梁、檩条和各类支撑体系，构成空间的承力体系。门式刚架轻钢建筑是我国当前最常见和最受欢迎的轻钢建筑形式，在国内低层金属建筑中占垄断地位，也是人们通常印象中的轻钢建筑。门式刚架轻钢建筑在空间尺寸上，一般檐高为4.5-9m,并可适当加大，单体单跨宽以9-36 m为宜，多跨可达100 m以
4、上；不设置温度分区的单体建筑平面尺寸可做到长300m，宽150m，采用温度分区等构造措施后，理论上其平面布置可不受尺寸限制，能较好地满足人们对建筑的布局灵活，使用空间大的要求。轻型钢结构是指这样一种结构:围护结构自重轻，承重结构截面小，标准化、自动化、机械化快速制作安装，并采用新结构钢材的新结构体系。它分为一般轻型和超轻型。一般轻型钢结构主要采用薄钢板焊接截面或冷弯薄壁型钢构件，典型的结构体系为门式刚架。也可采用轧制型钢板截面。超轻型轻钢结构主要采用压型钢板，冷弯薄壁构件和圆钢为承重构件，典型的结构体系是褶皱拱桥屋面。轻钢建筑的主结构、次结构、支撑体系、围护体系，形成一个空间三维的承力体系而共
5、同工作，通常称为系统建筑(如图1-1)。图1-1 门式刚架结构图轻钢结构主要体系有：焊接(轧制)门式刚架结构体系、冷弯薄壁型钢结构体系，多层框架结构体系、薄壁褶皱拱桥屋面体系、空间和张拉结构体系。轻钢结构适用范围:根据我国目前情况来看，这种结构由于其用度广、优势明显，已大量应用于单层工业厂房、多层工业厂房、办公楼以及高层建筑中的非承重构件等。通常以H型钢，采用焊接连接作为梁柱，以C形或Z形轻钢板作擦条；对单层工业厂房，以彩色压型刚板或夹芯彩钢板(EPS板)作屋面，对多层工业厂房或办公楼，楼面或屋盖系统用压型彩色钢板作面层，上面可浇混凝土，加上适当的构造措施，压型钢板可起受拉钢筋的作用，必要时也
6、可以再增加钢筋；围护结构可采用单层或夹层压型钢板，夹层板内部可充填各种保温层。目前在我国门式刚架结构的设计、制作、安装技术己日趋成熟，每年新增建筑面积近20万平方米 , 应用范围包括各类轻型工业厂房、体育场馆、娱乐场所等公共建筑，仓库及储运设施，超市、零售和商业服务等。据最近几年的统计资料表明，在我国已建成的100幢超高层建筑中钢结构约占了7%，其中引人注目的如大跨度房屋结构（如钢屋架、钢网架、悬索结构、三铰拱架等，跨度可达60m甚至100m以上）、重型厂房结构（如重型机械制造业、钢铁联合企业许多车间的主要承重结构，“重”在吊车起重达百吨以上、作业繁重等）、大跨度桥梁结构、高耸结构（如高压输电
7、塔架、桅杆结构等）和超高层房屋结构等。而刚框架结构刚度好，用刚省，便于安装，随着国民经济的发展和钢材价格的下降，钢结构的应用将愈来愈广泛。1.2门式刚架转角节点研究的意义轻钢门式刚架结构具有自身的特点，在进行轻钢门式刚架结构研究时，必须把门式刚架结构的特点和钢结构的特点相结合。钢结构有着很多优点如：（1）强度高，塑性韧性好 （2）钢结构的重量轻 （3）材质均匀和力学计算的假定比较符合 （4）钢结构制作简便，施工工期短 （5）钢结构密闭性较好。但有着不耐火、不耐腐蚀、在低温或某些条件下易断裂的一些缺点。与此同时，多年来国外在轻钢结构体系的研究方面作了大量的有成效的工作，并且得到了广泛的应用。我国
8、由于多种原因，轻钢结构起步较晚，相应的技术规范、规程的编制工作相对滞后，多数设计人员钢结构知识陈旧，缺乏相关培训，对轻钢结构设计理论和计算方法不熟悉，且受传统钢结构设计思想束缚，导致设计用钢高于国外同类结构。同时我国轻钢结构的理论和试验研究尚不够深入，对诸多技术问题尚不能提出合理适用的解决方案。由此，对轻钢结构体系进行广泛而深入的研究具有重要的现实意义和实用价值。1.3 门式刚架转角节点国内外研究现状 国外研究现状1屈服线分析在大多数情况下，尤其在轻钢结构中，更合理和流行的做法是利用屈服线理论。螺栓拉力作用下，端板塑性发展，形成破坏机构，利用极限平衡原理进行分析计算。比较不同的合理屈服线下的承
9、载力，取最低值作为设计依据。端板的屈服线分布与螺栓的布置以及端板的支承情况有关，尤其当节点形式复杂，存在加劲肋和多排螺栓时，确定屈服线形式也不是很容易的。 Packer和Morris采用曲线形式的屈服线分析端板，但是由于缺乏足够的试验数据，没有得出最后结论。后来，Phillips和Packer做了一系列试验，研究端板厚度对节点弯矩转角中特性和破坏机制的影响，他们还研究了平齐式端板节点受拉区第二排螺栓对节点刚度的影响，指出受拉区采用两排螺栓的做法适应于半刚性节点，但第二排螺栓的作用比通常估计的要小。Srouj也用屈服线分析，提出了四种不同形式端板的设计方法，给出螺栓受力和杠杆力的确定公式，相应的
10、实验结果验证了其屈服线分析的合理性。他建议设计方法同时考虑节点的强度和刚度，由于只有平齐式实验数据，他没有给出外伸式端板节点的完整设计方法。 Kendrick继续完善Srouji的工作，给出了具有统一屈服线形式的多种形式端板的设计方法，并提出了所有节点的试验验证。他分别从强度和刚度的角度比较了各种形式端板节点的优势，并建议用强度准则进行设计。 Morrison又将Sronji和Kendrick的工作推进一步，研究了其它形式端板节点的性能和设计方法。总的说来，基本方法是类似的，只是节点的复杂性增加了。2.有限元分析 近期的研究则倾向于采用有限元方法和回归分析形成设计公式，可以得出比较精确的结果，
11、但往往过程繁琐，得到的公式比较复杂。Tarpy和Cardinal用弹性有限元分析了无加劲肋梁柱端板连接的性能并提出了相应的设计方法，与以前的研究不同的是，他把柱翼缘与端板厚度作为两个不同的参数，而不是一个。 Maxwelletal等用各种方法研究了端板性能，简单受弯方法，屈服线方法，有限微分方法和有限元方法，得出的结论是有限元方法是最佳方法。它可以减少试验代价，而又提供最接近实验数据的结果。在有限元分析的试验数据的基础上，他给出了预测节点极限弯矩和弯矩转角关系的公式。Ahuja首先开始研究设加劲肋、受拉翼缘两侧各有两排螺栓的端板连接的受力变形特性，采用二维和三维混合有限元模型，即端板、螺栓用三
12、维单元，而梁的腹板、翼缘用二维单元。但只是考虑了弹性材料，通过参数分析得出了比较可靠的影响变量，并进行回归分析，得出了预测螺栓力和节点变形的有关公式，但是弹性材料的限制使结果偏于保守。Chang-Koon Choi和Gi-teek Chung也利用有限元方法分析了端板节点的特性。他们采用了完全的三维分析，力图模拟出节点的实际工作状态。进行弹塑性分析，考虑了螺栓的预拉力，以及接触面的复杂受力情况。总之，把节点作为一个完整的结构得到了分析和研究。Chas和Le-Wu Lu采用有限元方法对杠杆力和端板剪力进行了专门的研究，对比试验数据，证明了计算结果的可靠性，并在此基础上提出了对设计方法的改进。3.
13、节点域斜向加劲肋的研究 纵观国外资料，目前对节点域斜向加劲肋的研究还非常少见，已有的研究主要是围绕纵向和横向加劲肋展开的，M. Skaloud在他的论文Optimum rigidity of stiffeners of webs and flanges中对各种受力状况下不同位置的纵向与横向加劲肋的受力性能进行了分析并考虑了初始缺陷的影响，该文献对加肋梁柱的连接节点中的斜向加劲肋进行了分析，其分析以静力平衡分析为主，没有考虑腹板对横向力的抵抗作用，没有考虑斜向加劲肋的稳定问题，也没有考虑腹板的屈曲后性能。4.轻型钢结构在国外的应用情况国外轻型钢结构的应用起步较早，发展异常迅速：（1）预制装配式金
14、属房屋建筑诞生于本世纪初，主要用于车库，采用钢波纹板屋面和墙面，二十年代出现定型化生产的厂房。（2）二战期间装配式金属房屋建筑迅速发展，多用于快速建设战地飞机库，战后重建对工业厂房的大量需求，刺激了金属房屋的发展。（3）四十年代出现门式刚架，五十年代出现压型钢板，六十年代出现彩板、Z型擦条、保温墙板和屋面板。（4）英国新建结构中95%单层框架和65%的多层框架采用轻钢结构，英国钢结构协会(BCSA)研究开发、推广技术、规范市场。（5）美国低层非居住类房屋建筑以金属房屋主为:1995年15000以下的单、双层建筑中金属房屋占65%，新建面积为3500万平方米，15000以上的工业建筑面积达32万
15、平方米。美国的轻钢结构分布:商业建筑36%，包括仓储、办公、超市、车库和零售；各种工业厂房40%；公共建筑12%，包括学校、娱乐、医院、体育场馆；其余12%主要为农业建筑，包括粮仓、养殖场、种植大棚等。 国内研究现状1.研究成果 施刚等人针对门式刚架端板斜放和梁梁拼接节点进行了试验和有限元分析，研究了外伸式端板连接的承载力和刚度特性，讨论了我国现行规范关于外伸式端板连接的设计方法中存在的问题，同时给出了改进建议，并根据分析的结果，文献还提出了一种新的外伸式端板连接螺栓拉力分布模型及相应的设计方法。另外，施刚还通过对 8个不同构造的多层钢框架梁柱端板连接进行了试验研究，研究了钢框架梁柱端板连接节
16、点的刚度和承载力特性，分析了端板厚度、螺栓直径、端板加劲肋、柱腹板加劲肋、平齐式和外伸式等因素对节点承载力、转动刚度和极限转动能力的影响。试验结果表明：实际工程中采用的很多端板连接大多属于半刚性连接，在荷载作用下，节点发生明显的转动变形该文根据试验结果，对端板连接节点提出了设计建议。 荆军等人对 4个外伸端板连接节点进行了循环荷载试验，考虑的影响因素主要是：节点柱腹板有无加劲肋，端板厚度 12mm 和 16mm 两种，采用 8.8级 M16 螺栓柱顶施加 600kN 的轴压力。研究结论是：端板半刚性梁柱节点具有较好的延性和耗能性能，节点域配置加劲肋可以增大节点刚度，端板厚度对节点延性影响较大，并建议端板厚度要比柱翼缘厚度要厚。该文献在国外相关研究的基础上，将 T 形件方法和屈服线理论结合起来，分析了外伸式半刚性端板连接的
