偏心钢节点的受力性能及理论模型研究

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1、偏心钢节点的受力性能及理论模型研究(申请清华大学工学博士学位论文)培养单位：土木工程系学科：土木工程研究生：施正捷指导教师：樊健生教授二○一七年六月StudyonMechanicalBehaviorandTheoreticalModelofEccentricSteelJointsDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhilosophyi

2、nCivilEngineeringbyShiZhengjieDissertationSupervisor:ProfessorFanJianshengJune,2017摘要摘要为满足功能要求，建筑中存在梁、柱不共面的情况，而形成偏心钢节点。偏心引起钢节点核心区的三维扭转以及梁柱截面的畸变翘曲效应，同时节点刚度和承载力可能较非偏心钢节点明显降低。本论文分别从截面、构件、体系层面对偏心钢节点的受力性能展开研究，重点关注偏心钢节点的微观受力机理、受力全过程、计算方法、非线性分析模型及其在结构体系弹塑性时

3、程分析中的应用。论文取得的主要研究成果如下：（1）完成了4个偏心钢节点试件的静力及拟静力试验研究。通过试验，得到了偏心钢节点试件的焊缝破坏模式、屈服形态、荷载-位移曲线、应力应变分布规律等，并分析了节点试件的承载力、刚度、延性、变形、耗能能力等受力性能。建立了偏心钢节点三维精细有限元模型，对试件进行变参数分析，并对关键板件提出了设计建议。（2）以数值模型为工具，从截面层面对偏心钢节点的受力机理和应力应变分布形式展开分析讨论。重点关注节点核心区的三维扭转效应、梁柱截面的畸变翘曲效应，提出了核心区刚

4、性扭转-梁柱畸变翘曲耦合模型和简化计算公式。研究表明，偏心钢节点核心区存在剪力增大现象。给出了节点核心区剪力增大的计算公式，并验证公式精度满足工程设计需要。（3）从构件层面研究了偏心钢节点的刚度及承载力计算方法。比较了偏心节点和非偏心节点刚度的差异，提出了偏心钢节点的等效刚度解析模型，并验证了该模型的准确性和适用性。分析偏心钢节点的受力全过程性能，将试件屈服形态分为核心区剪切屈服、扭转屈服、梁柱翼缘屈服等。针对不同屈服情况给出了偏心钢节点的承载力计算公式，经有限元和试验验证，公式精度良好。（4）

5、提出了偏心钢节点核心区弹簧本构模型以及壳-杆系多尺度建模策略，经验证模型精度良好。通过偏心钢节点框架结构体系的静力和动力弹塑性时程分析，从体系层面研究了节点偏心对结构体系最大顶层位移、层间位移角、节点屈服形态等受力性能的影响，以及不同建模方式的计算效率与计算精度。本论文得到国家自然科学基金项目（51222810）资助。关键词：钢节点；偏心效应；扭转；畸变翘曲；弹簧模型IAbstractAbstractEccentricsteeljointswithcolumnsoutsidebeamscould

6、satisfythearchitecturalrequirmentsflexibily.However,duetotheeccentricinfluence,athreedimensionaltorsionwouldoccurinthepanelzones,whilethedistorsionandwarpingwouldoccuratbeams’section.Moreover,thestiffnessandtheultimatestrengthoftheeccentricsteeljoint

7、swouldbedecreasedsignificantlywhencomparedwiththeconcentricones.Thispaperconductsaresearchonthemechanicalbehavioroftheeccentricjointsfromtheaspectsofsection,specimenandstructuresystemrespectively.Theforcemechanism,load-displacmentcurves,calculationme

8、thod,springmodelreprentingthecoreareaandtheapplicationsintheelato-plasticdynamicanalysisofstructuresystemsarefocused.Themainachievementsofthepaperaredepictedasfollowing:(1)Thestaticandquasi-staticexperimentoffoureccentricsteeljointsareconducted.Thecr