半刚接钢框架考虑几何非线性和材料塑性的有限元分析及性能探讨.pdf

半刚接钢框架考虑几何非线性和 材 料 塑 性 的 色 P R 7_E 3 A h .及 性 能 探 讨摘要瓜 用 焊 接 刚 性 节 点 的 钢 框 架 因 节 点 延 性 较 差 容 易 发 生 脆 性 破 坏 ， 而 半 刚 接 钢 威 因 节 点 具 有 较 强 的 耗 能 能 力 可 以 抵 抗 一 定 的 地 震 荷 载 ， 同 时 还 可 以 减 少斜撑的数量及节点用钢量，这使得半刚接钢框架成为一种经济、可靠的选择 但由 于半刚性连接的复杂性和多样性，在钢框架的分析和设计中，还是将框架 的梁柱连接假设成为完全的刚接或理想的铰接对连接性能的这种理想化假设 简化了 钢框架的分析和设计过程，却不能反映结构工作的实际情况，计算结果误差很大，有时甚至会得到错误的结论我国钢结构设计规范 ( 2 0 0 1 , 1 0送审稿) 中 提到了 半刚性连接的概念， 但规范对进一步如何实现半刚性连接的设 做出说明，因而事实上也无法具体执行论、要求、标准和实施步骤均未 笨 文的目 的 就 是为 半 刚 性 连 接钢 框架 的设计提供一种既符合工程实际又简便易行的计算方法，供规范使用过程的补充、延伸或参考;同时，也将促进半刚性连接钢框架设计技术的发展，为提高结构安全性能、节省工程成本发挥应有的作用。

本文首先介绍了常见的几种应用较为广泛的梁柱连接弯矩转角关系模型， 在分析比较的基础上， 选用R i c h a r d - A b b o t t 函数模型作为外伸端板连接弯矩转 角关系模型， 通过对3 4 个外伸端板连接的实验数据与回归分析得到的参数比较 可知， 经回归分析得到的此模型参数与实验数据符合较好 然后用弹簧表征连 接点的转动刚度，根据梁的转角位移方程推导出半刚性连接的刚度矩阵，在单元刚度矩阵中考虑了节点柔性、几何非线性和剪切变形的影响，并对固端力进行了 修正，最后用增量迭代法编制有限元程序进行计算和分析通过对几个例子计算结果的分析表明，半刚接与刚接相比会使钢框架的侧移、柱脚弯矩增大，而使梁端弯矩减小，对无支撑框架尤为明显，支撑框架能 够有效地减小节点半刚接的影响同时，半刚接对二阶效应、剪切变形有放大 作用 根据计算结果的统计分析， 提出可以不考虑半刚性影响的节点刚度范围， 并对考虑半刚性的钢框架的内力和位移给出修正系数， 供工程设计参考关 键 词 : 半 1 4 钢 框 V几 何 非 瓤F i n i t e E l e me n t A n a l y s i s a n d B e h a v i o r o fS e mi - r i g i d S t e e l F r a me s wi t h f o r N o n - l i n e a r i t yan d Ma t er i a l No n l i n e a rABSTRACTS t e e l f r a m e w i t h w e l d i n g j o i n t e as i l y o c c u r b r i tt l e c o l l a p s e b e c a u s e o f h a v i n g a l o w d u c t i l i t y a t j o i n t s . T h e n , a s e m i - r i g i d c o n n e c t e d s t e e l f r a m e h a s l a r g e t h e e n e r g ya b s o r p t i o n c a p a c i t y w h i c h c a n r e s i s t d y n a m i c l o a d s a n d t h e u s i n g s t e e l q u a l i t i e s o f b r a c i n g s y s t e m a n d j o in t s a r e s m a l l . S o a d o p t i n g a s e m i - r i g i d j o i n t e d s t e e l fr a m e i s e c o n o m i c a l a n d s t a b l e . B u t f o r s e m i - r i g i d c o n n e c t i o n s a r e c o m p l e x a n d v a r i a b l e , i nc o n v e n t i o n a l a n a l y s i s a n d d e s i g n o f s t e e l s t r u c t u r e s , I t i s u s u a l l y a s s u m e d t h a t t h e c o n n e c t i o n s b e t w e e n c o l u m n s a n d b e a m s a r e e it h e r r i g i d o r p i n n e d. T h e a n a l y s i s o fs t e e l fr a m e s a d o p t i n g t h e a s s u m p t i o n c a n s i m p l i f y t h e p r o c e d u r e o f a n a l y s i s a n d d e s i g n , b u t c a n n o t p r e c i s e l y r e fl e c t s t ru c t u r a l p r a c t i c a l c ir c u m s t a n c e a n d t h e e r r o r s o fc a l c u l a t i n g r e s u l t s a r e l a r g e , e v e n , g e t i n c o r r e c t c o n c l u s i o n s .S e m i - r i g i d c o n n e c t i o n w as r e f e r r e d t o in C h i n e s e C o d e f o r D e s i g n o f S t e e l S t ru c t u r e s ( 2 0 0 1 , 1 0 ) , h o w e v e r , i t i s n 't s p e c i f i e d h o w t o a p p l y s e m i - r i g i d j o i n t s i nd e s i g n .I n f a c t i t c a n n o t b e c a r ry o u t .T h e p u r p o s e o f t h e p a p e r g i v e a c a l c u l a t i n gm e t h o d t h a t a c c o r d s p r a c t i c a l e n g i n e e r i n g a n d e a s i ly p u t i n t o e ff e c t . W o r t h w h i l e i t i sg o i n g t o p r o m o t e t h e d e v e l o p m e n t o f s e m i - r i g i d j o i n t e d s t e e l fr a m e i n d e s i g n a n dh e i g h t e n s t r u c t u r a l s t a b i l i t y .I n t h e p a p e r , a t f i r s t s o m e c o m m o n l y e m p l o y e d m e t h o d s f o r t h e m o d e l i n g o f c o n n e c t i o n b e h a v i o r a r e i n t r o d u c e d . R i c h a r d - A b b o tt fu n c t i o n m o d e l i n g o f c o n n e c t i o ni s a d o p t e d f o r e x t e n d e d e n d p l a t e b o l t e d c o n n e c t i o n .B y t h e 3 4 t e s t d a t a c o m p a r i n g t or e g r e s s i o n a n a l y s i s i n d i c a t e R i c h a r d - A b b o tt fu n c t i o n m o d e l i n g o f c o n n e c t i o nr e p r e s e n t s a n e x c e l l e n t f i t t o t e s t d a t a . T h e n a ft e r a s e m i - r i g i d j o i n t b e h a v i o r c a n b em o d e l e d a s a f i n i t e s t i f f n e s s r o t a t i o n s p r i n g , b a s e o n r o t a t i o n a n d d i s p l a c e m e n t e q u a t i o n d e r i v e t h e e l e m e n t s t i ff n e s s m a t r i x e s w it h s e m i - r i g i d c o n n e c t i o n s w h e r e t h e e ff e c t s o f j o i n t e d fl e x i b i l it y g e o m e t r i c n o n - l i n e a r i t y a n d s h e a r f o r c e s i n t h e c o n n e c t i o nd e f o r m a t i o n s h a v e b e e n c o n s i d e r e d i n a n d f i x e d - e n d f o r c e s a r e m o d i f i e d . F i n a l l y , ap r o g r a m f o r c a l c u l a t i n g s e m i - r i g i d w i t h i n c r e m e n t a l - i t e r a t i v e m e t h o d h as b e e nc o m p i l e d f o r c a l c u l a t i n g a n d a n a l y z i n g .B y c a l c u l a t i n g r e s u l t s o f s e v e r a l e x a m p l e d e c a d e f o r s t e e l f r a m e i n s e m i - r i g i d j o i n t s c a s e s t h e t o p s t o ry d e fl e c t i o n a n d t h e i n i t i a l e 。