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空间管钢桁架直接焊接相贯TT型节点土木抗震性能研究

时间:2018-02-27 19:38来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是土木工程论文,本文通过 ANSYS 有限元软件对 TT 型空间方管节点与盖板加强型 TT 型空间方管节点进行低周循环加载研究其抗震力学性能。
第一章 绪论
 
1.1选题背景
近年来,许多大空间大跨度建筑,如体育馆、展览馆、机场、码头、地铁站、大型工业厂房的出现,然而,钢筋混凝土结构、木结构、砌体结构是很难实现这种形式的大跨度空间结构。大跨度空间结构可以被认为是国家建筑科学技术发展水平的重要标志之一。世界各国都在研究和发展越来越注重空间结构,如国际博览会,奥运会,亚运会,所有的国家都以大空间结构展示在国家的空间结构建筑科学技术的水平,这已成为衡量一个国家的建筑技术水平的标志之一。这些重大项目,充分反映了中国的经济实力和较高建筑工程技术水平。这些项目大多是大跨度空间结构,这种结构体系的主要网架结构,网壳结构,管桁架结构,考虑从跨度和显著的经济效益考虑,空心钢管桁架结构 HSS(Hollow Sections Structures))已在土木工程行业得到广泛认可。但无论采用何种结构形式,钢管作为主要承重结构,其自身轻、高强、经济性、易安装的特点不容忽视。钢结构节点是各构件连接的关键部位,钢结构节点的力学性能在结构中起着重要的作用。目前现状,我国有两种连接节点体系:焊接空心球节点和螺栓球节点。焊接空心球节点不利于节点的精确定位,螺栓球节点弯曲性能差。而管相贯节点既避免了以上两种节点形式的缺点,又节约了材料,且具有受力性能好,节点承载能力大等显著特点,而且能更好地结合其他结构,如预应力钢结构,大跨度悬索结构、预应力钢管混凝土管状结构。目前实际工程中常见的钢管结构,可按其截面的形状、结构形式进行分类。按截面形状可分为:圆钢管结构(Circular Hollow Sections,即 CHS)、方(矩)形钢管结构(Rectangular Hollow Sections,即 RHS)以及其他形状,如图 1-1所示。
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1.2选题的意义
我国地处亚欧板块的南端,东临太平洋板块,南临印度洋板块,处于两大地震带的交汇处。公历 1970年 1月 5日,云南省通海县发生 7.7级大地震,死亡 15621人,伤残 32431人,毁坏房屋 338456,死亡 166338头牲畜,经济损失达 38.4亿元,是上世纪云南震级最大、死亡人数最多、损失最惨重的地震。为中国 1949年以来,继 1954年长江大水后第二个死亡万人以上的重灾。公历1976年 7 月 28日,河北唐山发生 7.8 级大地震,24万余人死亡,16万余人受伤,为 20世纪世界上人员伤亡最大的地震。公历 2008年 5月 12日,四川汶川县发生 8.0级大地震,遇难 69227人,受伤 374643人,失踪 17923人,重创约50万平方公里的中国大地。地震灾害频发,给人类造成巨大的损失。然而当前的科技水平尚无法预测地震的到来,在将来很长的一段时间内,地震依然是无法预测的。对于地震,我们更应该做的是提高建筑抗震等级、做好防御。1.2选题的意义我国地处亚欧板块的南端,东临太平洋板块,南临印度洋板块,处于两大地震带的交汇处。公历 1970年 1月 5日,云南省通海县发生 7.7级大地震,死亡 15621人,伤残 32431人,毁坏房屋 338456,死亡 166338头牲畜,经济损失达 38.4亿元,是上世纪云南震级最大、死亡人数最多、损失最惨重的地震。为中国 1949年以来,继 1954年长江大水后第二个死亡万人以上的重灾。公历1976年 7 月 28日,河北唐山发生 7.8 级大地震,24万余人死亡,16万余人受伤,为 20世纪世界上人员伤亡最大的地震。公历 2008年 5月 12日,四川汶川县发生 8.0级大地震,遇难 69227人,受伤 374643人,失踪 17923人,重创约50万平方公里的中国大地。地震灾害频发,给人类造成巨大的损失。然而当前的科技水平尚无法预测地震的到来,在将来很长的一段时间内,地震依然是无法预测的。对于地震,我们更应该做的是提高建筑抗震等级、做好防御。
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第二章 抗震设计理论及抗震分析方法
 
2.1 抗震设计理论
近年来,地震灾害频发,给人类造成巨大的损失。然而当前的科技水平尚无法预测地震的到来,未来相当长的一段时间内,地震也是无法预测的。对于地震,我们更应该做的是提高建筑抗震等级、做好防御。结构抗震设计应运而生,人们对地震波和结构动力特性有了更深入的了解,结构抗震分析理论也日益完善。抗震理论分析历时四个阶段。静力理论是人们对结构的抗震分析有了最初步的认识,为后来的各种工程抗震理论提供了基础。静力理论的优点十分明显,计算简单。其缺点则是没考虑地震过程是一个动态变化的过程,忽略了结构周期及阻尼比等自身特性的影响。但静力理论为工程抗震设计提供了新的思路,由于静力理论存在缺陷,不能良好的反应动态特性,学者们又对抗震分析方法进行了探索,为反应谱理论的产生奠定了基础。20世纪 40年代,继静力理论之后,Biot 教授[36]提出了反应谱理论。反应谱理论一定程度上完善了静力理论,它考虑了结构动力特性和地震动特性之间的动力关系,借助反应谱计算由阵型、阻尼及自振周期等结构动力特性所产生的动力效应。它综合了弹性反应谱和振型分解法,通过振型组合的方法计算结构总内力。当结构为简单模型时,采用反应谱发可以计算得出较为符合实际的结果,该方法比较容易被设计师接受,迄今仍是较为常见的地震分析方法。但其依然存在局限性,反应谱理论虽然考虑了动力性能,但在工程设计中依然把地震作用作为静力看待,其本质是拟动力分析。
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2.2抗震分析方法
当前,对结构进行抗震分析的方法主要有计算机滞回性能模拟与低周循环加载试验、时程分析法与振动台试验、拟动力与天然地震试验。时程分析法选取适合的地震波,同时对动力微分方程直接进行逐步积分,获得该地震作用下每一瞬间的结构响应(位移、速度、加速度),借此分析弹塑性阶段中结构的内力变化,一直到构件发生破坏或结构发生倒塌。我们将记录到的已发生的地震数据(地震波、地震加速度等)与时间的关系曲线成为时程曲线。时程分析法考虑了地震中长周期波动对结构引起的不利结果。地震作用能简化分解成低周期往复循环荷载。使结构在正反两个方向循环加载-卸载,用以模拟地震时结构在随机振动中的受力情况。对结构或构件施加低周循环荷载,获得结构或构件的滞回曲线,以此研究其耗能能力与延性比[36]。滞回曲线又称为恢复力曲线,为循环往复荷载作用下的荷载与变形之间的关系曲线。该曲线可以反映出结构在反复荷载下的变形特性、刚度退化和耗能能力,曲线的的围绕面积可用于衡量该构件耗能能力,这种能力就是所谓的滞回性能,它是进行非线性地震响应分析的重要依据。滞回曲线一般呈现出梭形、弓形、反 S形和 Z 形这四种形状,如图 2-1 所示。构件的滞回曲线一般可表现为荷载与位移、弯矩与转角、应力与应变这三种对应关系。通常可以通过计算机模拟加载过程和低周循环荷载试验获取结构或者结构构件的滞回曲线。这两种方法简单有效,被广泛的应用于结构或构件的滞回性能研究领域。
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第三章 空间方管桁架 TT 型相贯节点模型.......19
3.1 有限单元法..........19
3.2 ANSYS 有限元软件......19
3.3 模型的建立..........21
3.4 本章小结.....27
第四章 ANSYS 有限元模拟结果分析......30
4.1 TT 型方管节点分析结果......30
4.1.1 试件 TTSJ1 在 A 组荷载作用下的分析........30
4.1.2 试件 TTSJ2 在 B 组荷载作用下的分析........38
4.1.3 试件 TTSJ3 在 A 组荷载作用下的分析........45
4.2 加强型 TT 型方管节点分析结果........... 53
4.2.1 试件 TTSJ4 在 A 组荷载作用下的分析........53
4.2.2 试件 TTSJ5 在 A 组荷载作用下的分析........62
4.3 节点骨架曲线分析.......72
4.3.1 各试件骨架曲线数据..........72
4.3.2 节点骨架曲线图.........74
4.4 本章小结.....76
第五章 结论与展望.......... 78
5.1 主要结论.....78
5.2 展望与建议..........79
 
第四章 ANSYS 有限元模拟结果分析
 
本文借助 ANSYS 对 7个 TT 型节点试件进行分析,包括三个 TT 型方管节点、两个盖板加强型节点和两个环口板加强型节点。对试件施加低周循环荷载,观察各试件在模拟地震作用下的响应。
 
4.1 TT 型方管节点分析结果
本文主要研究对象为钢桁架 TT 型节点,因此在 TTSJ1 主管和支管焊接区域附近进行较密集的网格划分,其余部分使用较稀疏的网格划分,有利于提高计算机的计算速度。ANSYS 节点模型图及节点网格划分图分别见图 4-1、图4-2。对 TTSJ1 施加 A组荷载,第一步先对两支管自由端同时施加初始位移S=2.0mm,然后按照 A 组荷载分级加载,每一级荷载往复循环三次,直到位移达到 8.0mm支管自由端位移荷载加载情况如图 4-3 所示。在第三级分析步加载到 4mm位移峰值时,其应力云图如图 4-4-(a)所示。随着荷载的增加,主管表面出现凹陷和鼓曲;随着卸载的进行,变形逐渐恢复。当荷载再次增加到峰值时变形加深,卸载后又逐渐恢复。在第四级分析步加载到 6mm位移峰值时,随着加载的进行,主管表面比前几级分析步更早出现局部凹陷,同时变形的持续时间和变形的恢复时间均有所延长。在第五级分析步位移荷载加至 8mm峰值时,与支管相连的主管表面处变形达到最大值。图 4-4 分别为 TTSJ1在位移为 4mm和 8mm 时的应力云图。从该图可以看出,在主管和支管的连接区域,焊缝及支管的四个角部存在应力集中的现象。根据 4mm和8mm应力云图的色彩赋值可以看出,8mm 位移荷载下,主管的应力比 4mm 位移荷载时大得多。同时,从图中可以看出随着荷载的增大或者往复加载次数的增多,会使得节点塑性区域变大,变形更严重。
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结论
 
随着生产力的发展,钢桁架结构被广泛地应用于实际工程,节点作为钢桁架结构中联系各受力杆件的枢纽,其力学性能的好坏将会对结构产生至关重要的作用。对空间钢管桁架直接焊接 TT 型相贯节点的研究目前多停留在静力分析阶段,对其抗震性能的研究尚有欠缺。鉴于目前的工程实际中盖板加强型 TT 型方管节点已大量采用,而现行规范对盖板加强型 TT 型方管节点的相关解释尚有欠缺,因此本文对空间桁架 TT 型方管节点及盖板加强型 TT 型方管节点的抗震性能进行有限元数值模拟分析,以寻求改善 TT 型方管节点抗震性能的手段。通过对 TT 型方管节点的两个支管施加轴向低周循环位移荷载,模拟地震个荷载作用,得出各试件的受力参数(包括应力分布、滞回曲线、骨架曲线)。并总结得出以下结论:①在往复循环荷载作用下,钢桁架 TT 型方管节点和盖板加强型 TT 型方管节点的塑性变形均出现在主管与支管的连接区域,尤其是主管(盖板)与支管的连接焊缝、两主管面转折处。②在往复循环荷载作用下,相对于支管,主管表面的应力和塑性变形更大,主管受力情况更危险。③相同位移荷载下,对钢桁架 TT 型方管节点,增加其支管宽度,节点最大局部应力有所增加,但增加量不大;减小支管壁厚,节点最大局部应力有所增加;对盖板加强型 TT 型方管节点,减小其盖板厚度,节点最大局部应力有所下降。④加设盖板形成加强型 TT 型方管节点能在一定程度上减缓主管和支管连接处的应力集中现象。但由于盖板较大的分担了节点应力,导致盖板焊缝分配到的应力同样较大。⑤对钢桁架 TT 型方管节点,加大支管宽度,滞回曲线更饱满,对节点的抗震性能有利;减小支管壁厚,对节点抗震性能影响不大;加设盖板情况下,滞回曲线更接近梭型,抗震性能有所提升;对盖板加强型 TT 型方管节点,减小盖板厚度,对节点抗震性能不利。⑥由 5 个试件的骨架曲线可知,有限的荷载循环次数对节点影响不大,节点承载力及刚度退化缓慢。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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