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钢结构框架梁柱节点性能分析摘要：钢结构框架梁柱节点施工是提升建筑抗震性的主要工序，因此应优化梁柱节点的质量。
本文通过概述钢结构框架梁柱节点内容，围绕有限元模型、载荷等方面研究钢结构框架梁柱节点性能，分析多种要素对于节点性能的影响，为优化节点质量提供参考意见，提升建筑工程整体质量，突出项目结构的抗震性能。
关键词：建筑工程；钢结构框架；梁柱节点前言：钢结构具有韧性塑性强、重量轻、制造简便的优势，该模式在建筑工程中的应用可以缩短施工周期、提升抗震性能。
其中梁、柱节点是框架关键连接位置，其性能会决定框架结构在载荷基础下的整体性。
因此，有必要深入分析钢结构框架梁柱节点的实际性能，实现构件和节点的标准化设计，优化节点性能。
1钢结构框架梁柱节点概述1.1刚性连接模式其一，全焊连接。
借助融透的方式焊接梁上下翼，通过双面胶焊接腹板。
上述连接模式对于焊接技术要求较高，若操作失误会导致应力集中，对施工结构受到影响。
其二，全栓焊接。
借助T型钢，使用高强螺栓连接梁翼和柱翼，不会产生三向应力和残余应力。
其三，混合连接。
该模式包含两方面内容：一方面是利用融透焊接梁上下翼，并通过大刚度角钢连接高强螺栓，借助剪力板连接柱翼和高强螺栓。
多层钢结构中主要利用刚性连接梁柱，通过柱贯通方式连接框架柱和梁。
针对抗震部分，应确保梁翼缘厚度和加劲肋相同。
若属于非抗震区域，加劲肋的厚度应≥梁翼缘厚度的1/2，满足板件的实际宽厚比值，防止连接节点受到破坏。
1.2柔性连接模式柔性连接又称为铰接连接，在梁侧无线位移，不过可以进行自由的转动。
该模式包含承托、端板以及角钢三方面。
其中，角钢主要连接柱和梁腹板，可以借助连接板替代角钢。
端板连接模式和角钢相同，但不可替代。
利用承托连接模式连接柱的腹板时，主要将厚板当作承托构件，防止柱腹板弯矩较大，确保偏心力矩传输至柱翼位置。
2钢结构框架梁柱节点性能研究2.1构建有限元模型本课题主要借助有限元软件，依据相关学者关于连接节点的研究内容，构建建筑工程中钢框架梁的非线性节点有限元模型，分析其中力学性能的差异性，为后续工程梁柱节点连接模式提供新思路[1]。
钢筋混凝土框架加固节点有限元分析钢筋混凝土框架加固节点有限元分析一、引言钢筋混凝土结构在建筑工程中广泛应用，但随着建筑年限的增长，许多结构出现了安全隐患，需要进行加固处理。
节点是结构中最容易受力集中和破坏的部位，对节点进行加固设计是有效提高结构整体性能和耐久性的关键。
本文将运用有限元分析方法针对钢筋混凝土框架节点进行加固设计，以提高其承载力和抗震性能。
二、研究目标本研究旨在通过有限元分析方法，对钢筋混凝土框架加固节点进行静力和动力响应分析，以评估加固节点的力学性能，并提出加固措施。
研究内容包括以下几个方面：1. 建立钢筋混凝土框架节点模型：根据实际工程情况，确定节点内钢筋布置方式、混凝土强度等参数，并采用有限元软件建立节点模型。
2. 加载条件设定：根据设计要求及工程实际情况，考虑静力和动力荷载作用，设定节点的加载条件。
3. 有限元分析：利用有限元软件对加固前后节点进行静力和动力分析，得到节点的位移、应力、应变等参数。
4. 分析结果与讨论：通过对比加固前后节点的力学性能参数，评估加固效果，并针对不足之处提出改进措施。
5. 加固节点设计：根据有限元分析结果，设计出合适的加固方案，提高节点的承载力和抗震性能。
三、节点模型建立1. 材料参数确定：根据实际工程需求，确定节点中钢筋的类型、直径、数量和强度等参数，以及节点中混凝土的强度等参数。
2. 节点布置方式确定：根据实际工程需求，确定节点内钢筋的布置方式，包括纵向钢筋和箍筋的布置数量和间距。
3. 有限元模型建立：利用有限元软件建立节点的三维模型，并对节点进行网格划分，保证有限元网格的合理性和准确性。
四、加载条件设定1. 静力加载条件设定：根据实际工程情况，设定节点的静力加载条件，包括垂直荷载和水平荷载。
2. 动力加载条件设定：考虑节点在地震荷载作用下的动力响应，设定相应的加载条件。
五、有限元分析1. 边界条件设定：根据实际工程情况，设定节点的边界条件，包括节点与其他结构部件之间的连接方式。
四川建筑科学研究Sichuan Building Science 第31卷 第6期2005年12月收稿日期:2004-12-06作者简介:黄 怡(1980-),女,上海人,硕士研究生,主要从事钢结框架)支撑钢结构抗震性能的有限元分析黄 怡,王元清,石永久(清华大学土木工程系,清华大学结构和振动教育部重点实验室,北京 100084)摘 要:近年来,我国的大中城市相继出现了大批的中高层钢结构建筑。
框架)支撑结构体系作为中高层的一种结构形式被广泛采用。
本文运用大型通用有限元软件AN SYS,采用三维建模,对一9层框架)支撑钢结构建筑进行了抗震性能的计算分析,分析包括模态分析、反应谱分析、弹性/弹塑性时程分析,分析结构在地震作用下的横向变形和支撑随地震波的内力响应情况等。
研究成果可以为类似工程提供借鉴。
关键词:支撑框架;抗震性能;AN SYS;时程分析中图分类号:T U 352111 文献标识码:A 文章编号:1008-1933(2005)06-0140-041 概 述中高层建筑平面布置灵活,又可在一定程度上提高土地利用率,在大中城市发展迅速。
框架)支撑钢结构体系是中高层建筑运用最多的一种体系,它与纯钢框架结构相比有诸多优点,例如:增加了整体刚度和抗侧力能力,减少了用钢量,梁、柱节点承受的弯矩小,构造相对简单等等[6]。
目前,对于中高层的动力方面研究已经较多,各种专业软件纷纷投入运用。
但是对于立面较不规则的建筑的地震分析,尤其是大震下的非线性时程分析还不是很成熟,若采用某些专业软件进行简化计算,由于用到的假定较多,其计算结果误差偏大,且对于局部构造的分析不够完全。
随着微机性能的不断提高,现在大型通用有限元软件用于土木行业,对结构的动力响应进行分析已经成为可能。
因此选用ANSYS 作为计算软件,其瞬态分析使得多层、高层以及超高层的弹性/弹塑性时程分析成为可能[7]。
下面,结合一中高层框架)支撑钢结构的设计实例,用通用软件ANSYS 对结构的动力特性及抗震性能进行分析。
组合梁柱节点有限元分析研究
能优越、施工方便等特点。
本文建立了型钢混凝土节点的有限元模型，分析了混凝土本构模型、钢管与混凝土界面摩擦系数和几何非线性等对有限元分析结果的影响，验证了型钢混凝土构件有限元分析方法的正确性，为工程实际提供了参考。
关键词：型钢混凝土有限元非线性
1 前言
钢与混凝土组合结构是在钢结构和混凝土结构的基础上发展起来的一种组合结构，充分发挥了混凝土良好受压性能和钢材良好的受拉性能，使它们发挥各自的材料特性。
型钢混凝土结构利用了混凝土良好的耐腐蚀和防火性能、钢材的抗拉性能和混凝土的抗压性能，同时，外部混凝土的存在可以防止型钢的屈曲，型钢对混凝土的约束作用也会使混凝土的承载力提高。
因而一般具有承载力高，延性好，综合经济指标较高等优点[1]。
近年来，钢与混凝土组合结构得到了较为广泛的应用，并不断发展。
因此，对新型的钢一混凝土组合结构的研究及工程应用将是工程结构发展的一个主要方向。
2 有限元分析
计算机模拟分析是试验分析的补充，首先可以排除试验中各种随机因素的干扰，不仅可以给试验参数的选取、结果的分析等提供方便；并且计算机模拟可不受时间、场地等因素的限制，对各种不同参数的结构模型进行分析，因为减少了大量的现场试验工作而大大节省了科研费。
钢框架梁柱节点恢复力模型的研究3陈 宏 李兆凡 石永久 王元清(清华大学土木工程系 北京 100084) 摘 要:为了研究高层钢结构梁柱节点的抗震性能,对钢框架节点在低周反复荷载作用下的性能进行了足尺模型试验研究。
在试验研究的基础上,考虑了节点延性、耗能性能和强度、刚度退化等影响,建立了钢框架梁柱节点的恢复力模型,计算结果与试验结果吻合良好。
建立的模型对高层钢结构的抗震设计具有较好的参考价值。
关键词:钢框架节点 滞回特性 恢复力模型STU DIES ON RESTORING FORCE MODE LS OF BEAM 2COL U MNCONNECTIONS OF STEE L FRAMESChen H ong Li Zhaofan Shi Y ongjiu W ang Y uanqing (Dept.of Civil Engineering ,Tsinghua Univ. Beijing 100084)Abstract :In order to address the seismic performance of beam 2column connections used in high 2rising buildings ,the experiments wereconducted on full 2scale specimens of beam 2column connections subjected to reversed cyclic loading.Based on the test results and analysis ,restoring force m odels of beam 2column connections were established with consideration of the degree of ductility ,the capacity of energy dissipation ,the deterioration of stiffness and strength of the specimens.G ood agreements between analytical results and experimental results were found.The proposed m odels can be applied to seismic analyses and the design of welded flange 2bolted web connections of steel m oment frames.K eyw ords :steel frame connections hysteresis behavior restoring force m odel3国家自然科学基金资助项目(59878026)。
型钢混凝土柱滞回特性的有限元分析的开题报告
一、研究背景及目的
●背景
型钢混凝土组合结构具有良好的力学性能，为适应工程实际需要，近年来越来越受到重视。
其中，在型钢混凝土组合柱中，柱端区域是最关键的部位之一，其受力性能的好坏直接影响整个结构的强度及抗震性能。
因此，针对型钢混凝土组合柱柱端部分，在其滞回特性研究中，能够为该类型结构的合理设计提供一定参考意义。
●目的
本文旨在通过有限元分析，探究型钢混凝土柱滞回特性及其柱端部分受力分布，为进一步研究型钢混凝土组合结构提供参考依据。
二、研究内容及方案
本文研究内容主要包括以下三个部分：
●建立型钢混凝土柱有限元模型，考虑材料本构关系，分析柱端受力分布；
●建立型钢混凝土柱的滞回特性有限元分析模型，通过分析滞回曲线的形状与柱端受力变化规律，得出柱端受力转移机理；
●结合前两个部分的分析结果，总结型钢混凝土柱柱端受力变化规律及其滞回特性，为结构设计提供参考依据。
三、研究意义
型钢混凝土组合结构作为一种新型结构体系，其受力性能的瞬时响应及长期变化规律，还需要通过理论分析及实验研究加以论证。
本文以型钢混凝土柱为例，探究其在载荷作用下的滞回特性及其柱端受力分布，通过有限元分析，揭示该类型结构体系的受力机理，并为结构设计及工程
应用提供科学依据。
此外，本文结果将有助于推广型钢混凝土组合结构在实际工程中的应用，并为相应研究提供参考。
第32卷第3期土木建筑与环境工程Vo l .32No .32010年06月Jo urnal o f Civil ,A rchitectural &Environm ental Engineering Jun .2010钢框架梁柱组合节点滞回性能有限元分析石永久,王 萌,王元清,施 刚(清华大学土木工程系,北京100084)摘 要:钢框架组合节点考虑楼板组合效应后,其承载能力大幅提高,节点区刚度相应增大,可能对抗震造成不利影响。
采用通用有限元软件ABAQ US 建立非线性精细有限元模型,并对单元选取,螺栓受力行为和材料的应力应变关系及损伤模型的确定进行详细说明。
结合国内外已有的钢框架组合梁节点拟静力试验,验证了非线性有限元模型的正确性和适用性。
试验和有限元分析结果均表明:考虑楼板的组合效应之后,该类型节点的刚度和承载力均有较大幅度提高,承载力提高幅度约为26%,节点区弹性刚度提高了30%左右;在静力往复荷载作用下,该类型节点的滞回曲线较为饱满,耗能能力强,具有良好的抗震性能。
关键词:钢框架组合节点;有限元分析;滞回曲线;承载力;损伤退化中图分类号:TU391 文献标志码:A 文章编号:1674-4764(2010)03-0001-07FEM Analysis on Cyclic Behavior of Steel Frame -Composite ConnectionsSHI Yo ng -jiu ,WANG Meng ,WAN G Yu an -qing ,SHI Gang(Department of Civ il Enginee ring ,T sing hua U nive rsity ,Beijing 100084,P .R .China )A bstract :T he capacity and stiffness of the steel frames are improved sig nificantly considering slab com po site effect w hich may cause bad effects on the seismic .Efficient and accurate FEM of ABAQ US w as pro po sed fo r numerical simulatio n .A nd the selectio n of elements type s ,the material stre ss -strain relationship and damage m odel w ere made a detailed description .No n -linear finite element mo del w as approved with existing steel frame -com po site co nnectio ns quasi -static test home and abroad .It is show n that the capacity o f this ty pe co nnections is improved by nearly 26%and the stiffness by 30%.A nd this ty pe o f connections have m ore full hy steretic curve with high ene rg y -consuming ability and good seismic performance .Key words :S teel Frame -Co mposite Co nnections ,finite element analy sis ,hy steretic curve ,bearing capacity ,damage deg radatio n 在多高层钢框架中最常用的刚性连接方式即为梁翼缘与柱焊接、梁腹板与柱上耳板用高强度螺栓连接。
钢框架结构中的楼盖常采用混凝土或压型钢板组合楼板。
抗震设计的基本准则要求“强柱弱梁”、“强节点弱构件”[1],但是目前对于节点的强化往往是考虑加强钢梁与钢柱的连接,在实际工程中并没有考虑节点区组合效应使承载力提高的作用,特别是在采用钢柱—组合梁的框架结构中,组合效应对节点区的承载性能影响更为突出。
组合作用对于节点承载力的提高毋庸置疑[2],但组合效应也有其不利的一面,混凝土楼板的组合作用将使节点正弯矩区组合截面中和轴上移,下翼缘应力可能比不考虑组合作用时有所增大,在地震往复荷载作用下,加速钢梁的疲劳断裂[3]。
同时,考虑组合作用后,会使节点的刚度上升,从而对节点的抗震延性带来不利影响。
采用通用有限元软件ABAQ US,建立钢框架混凝土楼板组合节点的非线性有限元模型,并结合国内外此类节点的典型试验,验证提出的有限元模型的准确性和适用性,为该类型组合节点的受力性能分析提供有力的依据和工具。
对比分析试验和有限元分析结果,对该类型节点承载力性能、组合作用、滞回性能进行深入探讨。
1 有限元计算模型1.1 单元选取钢框架组合节点一般由钢框架、压型钢板、混凝土楼板、钢筋、栓钉以及螺栓组成,典型节点形式如图1所示。
其中钢梁柱部分一般采用H型钢,在ABAQ US中采用四节点缩减积分壳单元(S4R)模拟。
在实际工程中组合梁大部分按照完全剪力连接设计,因而在该文模型中不考虑组合梁的滑移效应。
混凝土楼板采用空间3维缩减积分实体单元(C3D8R)。
楼板内钢筋采用3维桁架单元(T3D2)。
压型钢板采用四节点缩减积分壳单元(S4R)。
有限元计算模型的边界条件和典型试验中的基本相同。
图1 典型钢框架组合节点1.2 材料本构模型1.2.1 钢材本构 钢材本构模型采用H ajjar[4]提出的考虑屈服强化的本构模型,泊松比取0.3。
采用Von M ises屈服准则、相关流动准则以及随动强化准则。
在弹性和塑性加载阶段都考虑几何非线性以及大变形。
1.2.2 螺栓力-滑移关系 该类型节点的梁腹板采用高强度螺栓与剪切板连接。
分析中为了真实模拟实际情况,用弹簧模拟螺栓。
弹簧的刚度曲线如图2所示,采用文献[5]中对于高强螺栓抗滑移曲线的试验得到计算曲线的准则:1)摩擦阶段:外力由接触面的摩擦承担,相对位移量不超过0.2mm,达到高强螺栓的剪切承载力,承载力的计算公式参照文献[6]。
2)滑移阶段:当外力超过承载力时,曲线出现转折,接触面产生“滑动”;荷载变化不大,芯板和盖板间相对位移量增大显著;螺栓发生滑移之后,由于螺栓孔比螺栓大2m m,所以螺栓在碰触在孔壁之前保持摩擦承载力。
3)承压阶段:外力靠螺栓与孔壁的承压传递,与普通螺栓的抗剪承载力计算方法相同。
图2 模拟螺栓弹簧的剪切刚度曲线1.2.3 混凝土本构 混凝土采用ABAQ US 中提供的混凝土弹塑性断裂-损伤模型[7]。
其将损伤指标引入混凝土模型,对混凝土的刚度矩阵加以折减,模拟混凝土的卸载刚度随损伤增加而降低的特点,如图3所示。
图3 混凝土材料损伤本构模型在混凝土塑性损伤模型中,有效拉、压应力为:σt=σt(1-d t)=E0(εt-εp l t)(1)其中,d t,d c为比例退化变量,当值为0时表示没有损伤,为1时表示材料完全破坏。
计算过程中, ABAQ US将自动根据当前的压应力和受压损伤值,2土木建筑与环境工程 第32卷按照上式来计算考虑损伤后的受拉、压塑性应变,进而确定有效拉、压应力ε plt ,ε plc 。
损伤模型参数的确定参照文献[8]。
楼板中使用的混凝土应力-应变关系采用Hognest 本构模型。
其中,混凝土抗压强度f ck =0.67f cu ,混凝土抗拉强度,f cu 为混凝土立方体抗压强度。
2 算例分析2.1 苏迪等人试验[9]苏迪等人的试验选取了现行抗震规范[1]中的梁柱标准节点形式和改进焊孔构造的节点形式,在循环往复荷载作用下,考察混凝土楼板的组合效应。
节点尺寸和局部构造如图4所示。
试件采用主框架平面的十字形足尺模型。
其中钢梁柱部分均为焊接H 型钢,梁的截面尺寸如图5所示。
试验所得钢材的屈服应力为270M Pa 。
梁的翼缘用角焊缝焊接在柱翼缘上,梁腹板采用4个10.9级M20摩擦型高强度螺栓通过连接板与柱翼缘连接。
梁柱截面板件的宽厚比、高厚比均满足中国现行抗震规范的构造要求[1],试件的具体参数见表1。
图4 苏迪等人试验节点构造示意图/mm图5 试验装置布置图/mm表1 试件材料主要参数节点编号钢节点类型钢材型号混凝土等级纵筋配筋加载方式CJ 1标准型Q235B C3012@140反对称CJ 2改进型Q235B C3012@140反对称CJ 3标准型Q235B C3012@80反对称CJ 4改进型Q235BC3012@80反对称注:材料C30、立方体强度f cu ,k 为46.55M Pa 、弹性模量E e为28069M Pa 。
试件加载装置如图5所示。
试验中在梁端施加循环往复荷载,直至构件完全破坏。
加载分2个阶段,试件屈服前采用荷载增量控制,试件的弹性极限荷载约为120kN ,分4级,每级循环1次;出现塑性屈服后采用位移增量控制,以屈服位移的0.5倍为单位增加,每级循环2次,直至构件破坏。
各试件的计算荷载-位移(P -Δ)曲线和试验滞回曲线的对比如图6所示。
图6 国内试验有限元滞回曲线对比分析2.2 Lee ,Seung Joon 等人试验[10]Lee 等人的试验从1个6层高,两跨足尺的框架模型中提取出来,框架根据1979年Uniform Building Code (UBC )以及1981年的日本建筑规范进行设计。
选用试验中的2个节点:1个为典型的外部节点EJ -FC 、1个为典型的内部节点IJ -FC ,如图7所示。
钢梁柱部分均为焊接H 型钢,梁腹板采用5个摩擦型高强度螺栓通过连接板与柱翼缘连接。
试件具体尺寸如图8所示。
材料属性根据节点试验的材性试验得到,具体见表2。
3第3期石永久,等:钢框架梁柱组合节点滞回性能有限元分析图7 节点模型选取/mm图8 节点构造尺寸图/mm 表2 试验中构件钢材材性试件编号截面荷载类型弹性模量/M Pa 屈服值N /mm 2EJ -FC梁翼缘195.3252.7W18X35腹板204.1260.6柱翼缘219.6236.3W10X60腹板218.3244.0IJ -FC梁翼缘195.3252.7W18X35腹板204.1260.6柱翼缘204.5241.9W12X72腹板214.5261.7注:材料混凝土、抗压强度f e 为35.50M Pa 、弹性模量E e为22930M Pa 。
