一般半刚性节点连接框架结构分析方法-论文.pdf

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1、第27卷第3期石家庄铁道大学学报(自然科学版)v。1．27N。．32014年9月JOURNALOFSHIJIAZHUANGTIEDAOUNIVERSITY(NATURALSCIENCE)Sep．2014一般半刚性节点连接框架结构分析方法段树金。王冉，金坎辉。(1．石家庄铁道大学土木工程学院，河北石家庄050043；2．聊城市规划建筑设计院有限公司，山东聊城252000；3．河北工程技术高等专科学校，河北沧州061001)摘要：研究对象为任意节点连接和任意支撑的平面框架。一般梁单元由等截面直杆及其杆端的轴向弹簧

2、、切向弹簧和转动弹簧组成，推导得到此类单元的刚度矩阵、单元在8种基本荷载作用下的等效节点荷载。采用Matlab语言编写了适用于一般节点非线性连接框架的静力分析程序，非线性形式为指数函数或多项式函数，可以得到结构不同连接刚度下的节点位移、杆端位移和杆端力。算例显示出节点柔度对结构受力和变形的影响。关键词：平面框架；半刚性节点；三弹簧模型；单元刚度矩阵；等效节点荷载；非线性分析中图分类号：TU311文献标志码：A文章编号：2095—0373(2014)03—0001—080引言焊接节点钢结构在强震作用下易发生脆性

3、破坏，而采用角钢、螺栓端板、T形板等半刚性节点连接形式替代刚性连接节点，可以优化分配结构体系的内力、增大结构阻尼、减小结构振幅、降低地震作用对结构的危害⋯。目前，国内外关于钢结构半刚性连接的研究主要集中在框架梁柱连接节点的转动半刚性方面。王新堂在梁单元杆端引入虚拟旋转弹簧推导单元刚度，得到了平面杆系结构的统一计算模型。刘洋等认为实际结构中半刚性节点不仅具有转动半刚性，而且沿切向和轴向也有一定半刚性，并推导得到了考虑节点转动半刚性和切向半刚性的单元刚度矩阵和质量矩阵。胡吉安等研究了梁段拼接问题，将拼接节点设计成

4、半刚性，提出的耗能拼接节点具有和梁相同的初始转动刚度，在正常使用阶段不允许拼接处高强螺栓出现滑移，而在弹塑性阶段利用拼接处的高强螺栓滑移耗能，可以提高框架结构整体抗震性能J。长孔螺栓节点可用于钢框架中的梁柱连接，代替焊接，提高节点处的延性，避免节点处的应力集中和脆性破坏，梁柱连接处的转动变形带动长孔螺栓节点产生摩擦耗能。在风荷载和小震作用下，高强螺栓拼接节点不发生滑移，主体结构处于弹性状态，满足正常使用要求；在大震作用下，拼接板产生滑动，不仅消耗大量地震能量，而且在滑动过程中还改变了原结构的自振频率和基本振型

5、，减小结构振。柱的拼接研究方面，Snijderetal_6进行的分析与试验研究结果表明拼接柱的承载力低于完整柱的承载力；LindnerL7讨论了柱的3种拼接方式(端板连接、翼缘腹板盖板连接、翼缘盖板连接)，进行模型试验和有限元数值分析，将拼接处的不完全连接用倾角和滑移缺陷表示，给出了承载力计算的近似公式。BaniotopoulosL8研究了螺栓端板拼接的分离问题，建立了数学力学模型和有限元数值模型。Ihaddoudeneetal_9在有限元模式中提出采用三弹簧模型，但在推导单元刚度矩阵和载常数时只考虑了节点的

6、转动半刚性，而并未计及切向和轴向半刚性的影响。Coelhoetal【lo3研究了拼接柱的稳定问题，采用了考虑转动和切向半刚性的两弹簧模型，得到了拼接钢柱的临界荷载。Landonetal【11]将半刚性节点的概念引入支座，把双角钢焊接连接归结为半刚性支撑，并采用三弹簧表示，通过试验确定了弹簧参数。Duanetal【12]提出的榫卯连接钢框架体系在动载作用下节点处会产生DOI：10．13319／j．cnki．sjztddxxbzrb．2014．03．0l收稿日期：2013—06—04作者简介：段树金男1955年出

7、生教授2石家庄铁道大学学报(自然科学版)第27卷滑移、挤压和碰撞，从而起到耗能减震的作用，可以模型化为半刚性节点连接框架。另外，切向半刚性连接的概念已被引入钢混凝土组合梁界面的连接HH；而柔性支座(包括转动、切向和轴向)与半刚性节点连接属于同一类问题，可以一并研究，有利于结构体系的优化。因此，建立一种统一的节点为任意连接的平面杆系计算模型具有重要的理论和现实意义。从平面杆单元的刚度方程出发，通过在杆端引人虚拟转动、切向和轴向弹簧，由严格的数学方法得到一般平面杆系结构的统一计算模型。1单元刚度矩阵和等效节点荷载

8、推导1．1单元模型和基本假定图1为具有一般半刚性连接的平面梁单元，即在梁端引入了一个转动弹簧和两个线弹簧来模拟节点处的转动、轴向和切向半刚性，K(0)、K()和K(Y)分别表示转动刚度、轴向刚度和切向刚度与对应位移的关系函数，其关系可以是线性的，也可以是非线性的；刚度无穷大代表刚接，刚度为零代表铰接。图1中梁单元，E为弹性模量，，为截面惯性矩，A为截面面积，z为杆长，i为线刚度。假设：(1)杆件为等