浅谈上下翼缘角钢半刚接空间钢框架极限承载力分析与整体设计

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1、湖南大学硕士学位论文上下翼缘角钢半刚接空间钢框架极限承载力分析与整体设计姓名：汤建平申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：舒兴平20070508上下翼缘角钢半刚接空间钢框架极限承载力分析与整体设计摘要钢框架中梁柱连接的约束条件大多数介于完全刚接和理想铰接之间。从设计角度看，梁柱连接可划分为刚接、半刚接和柔性连接三种。为了正确预测钢框架的实际受力性能，应在钢框架的分析和设计中考虑真实连接的非线性影响。传统的钢框架设计方法中，结构内力计算模式（弹性整体分析）与构件承载力验算模式（极限状态设计）不一致，不

2、能对结构受力做出正确的评价。因此，对采用半刚性连接的空间钢框架结构进行整体二阶弹塑性分析和设计研究是很有必要的。选取上下翼缘角钢半刚性连接作为研究对象，采用Kishi－Chen三参数幂函数模型，推导了上下翼缘角钢半刚性连接的初始刚度公式和极限弯矩公式，并给出了完整的计算过程。采用图表法分析可知，影响上下翼缘角钢半刚性节点性能的因素很多，其中角钢厚度和长度、螺栓轴线到梁翼缘的距离、高强螺栓直径及梁截面高度对节点受力性能的影响较大。基于连续介质力学有限变形理论和内力屈服面塑性流动理论，采用Kishi－Che

3、n幂函数模型描述半刚性连接的特性，基于位移差值函数的刚度法推导了半刚性连接空间钢框架杆单元二阶弹塑性刚度方程。用FORTRAN90编制了适用于上下翼缘角钢半刚性连接空间钢框架的二阶弹塑性分析程序。算列分析了上下翼缘角钢参数对空间钢框架极限承载力的影响。在上述弹塑性分析方法的基础上，提出了采用上下翼缘角钢半刚性连接空间钢框架的整体设计方法，并对中美两国钢结构设计规范关于荷载组合和约束方程进行了对比。算例分析可知，与现行LRFD设计方法相比，整体设计法不需要进行单根构件的承载力验算，包括柱子有效长度系数K的

4、计算，同时考虑了塑性内力重分布，可以减少钢材的重量，算例还表明设计多层半刚接钢框架时应该注意可能存在整体刚度不足的问题。关键词：上下翼缘角钢半刚性连接；空间钢框架；二阶弹塑性；极限承载力；整体设计II硕士学位论文AbstractMostofbeam-to-columnconnectionsinsteelframesaresemi-rigid.Theirbehaviorliesbetweenperfectly-rigidconnectionandideallypinnedconnection.Theact

5、ualeffectsofconnectionbehaviormustbeconsideredindesignofsteelframes.Aconservativeestimationmaybeprovidedinconventionaldesignmethodsusingelasticglobalanalysisandthelimitstatememberdesign.Inordertoovercomethedifficultiesoftheconventionalapproach,second-ord

6、erelastic-plasticanalysisanddesignofsemi-rigidspatialsteelframesshouldbedirectlyperformed.Top-andseat-angleconnectionsareanalyzedtoobtainmechanicalbehaviorunderstaticloads.Thethree-parameterpowermodelproposedbyKishi-Chenisadopted.Thepracticalproceduresfo

7、rdeterminingtheinitialconnectionstiffinessandultimatemomentcapacityareprovided.Theresultsshowthatthebehaviorofsemi-rigidconnectionsisgreatlyinfluencedbytheangle’sthickness,length,distancebetweentheaxesoftheboltwhichintensionandflangeofthebeam,theboltdiam

8、eterandtheheightofthebeam.Basedonthefinite-deformationtheoryofcontinuummechanicsandstress-resultantyieldsurfaceplasticflowrule,stiffnessmatrixesforsemi-rigidspatialsteelframesarederivedusingKishi-Chenpowermodeltodescribeth