支托式连接支撑节点的受力性能分析及设计方法研究学位论文(编辑修改稿)

支托式连接支撑节点的受力性能分析及设计方法研究学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

认为：当支撑构件发生屈曲时，与支撑杆端部相连的节点板应具有足够的延性，以便满足支撑杆端部转动，节点板的延性破坏模式应为流塑模式；并建议：支撑杆与节点板连接节点的承压能力和屈服能力，不应小于采用预计的实际屈服应力计算的构件屈服能力。 2020 年聂华 [46]对钢结构支撑节点板与梁柱连接的内力计算方法进行比较分析研究。 他认为：主要对比分析了国内常用的简化计算方法和美国的均 力法，并采用了实例进行对比分析，国内的简化方法安全系数更高，但会造成一定程度的浪费。 因此，当支撑内力较大时，宜采用均力法计算，或者用其它更接近实际的计算方法。 2020 年黄明超 [47]对铰接钢架支撑连接节点性能及其设计方法进行研究，他指出：根据试验的结果进行分析研究，即使人字形支撑端部不满足 2t 时，节点板仍具有很好的塑性变形能力，仍能实现平面外失稳后的塑性转动。 同时作者还指出，在水平地震荷载作用下，在节点板的平面外方向施加的加劲肋，并没有提高整个体系的耗能能力 11 和屈曲承载力。 为了施工方便和构造简单，因此，作者 建议：对于人字形支撑与梁连接的节点板，其自由边长度和厚度之比可以大于 yf912 ，不需要在节点板外加肋。 2020 年颜潇潇、童根树等人 [48]基于成达大厦实际工程，对跨层巨型斜支撑体系的节点进行分析与设计研究。 根据有限元分析的结果，他认为：支撑与梁相交节点域的剪应力和 vonmises 应力都较大，超过了材料的允许应力，因此，针对原设计中此节点域厚度与中间梁段腹板厚度相同进行修改，加厚到原来的一倍才满足安全要求。 作者结合此工程的分析，对于此节点域薄弱的情况，可采取下列方法：增 大支撑节点域处梁腹板的厚度，或采用与支撑腹板同厚，当由于支撑翼缘较厚时，可采取梁打断支撑贯通的做法。 2020 年陈世玺 [49]对节点板式连接的支撑节点进行力学性能分析和设计方法研究。 他指出：当支撑采用节点板与梁柱连接时，节点板厚度和支撑与柱夹角对节点板的破坏顺序影响不大；支撑翼缘宽厚比较小时，支撑具有较长的低周疲劳寿命；支撑的长细比较大时，支撑具有较长的低周疲劳寿命；当节点板满足 2t 时，支撑具有更高的低周疲劳寿命。 2020 年 牟 伟 [50]关于支撑节点板对铰接支撑框架结构的影响进行有限元分析。 他指出：节点 板的尺寸对节点的转动刚度有较大的影响，随着节点板尺寸和厚度的逐渐增大，节点的转动刚度逐渐增加；当对于不对称的节点板时，增大节点板与梁连接边的长度对节点转动刚度的影响更大。 2020 年陈以一等人 [51]针对广州新电视塔的新型空间柱 梁 撑节点进行抗震性能试验研究。 他们将此节点分为三部分，分别对每个部分进行滞回性能和极限承载力进行分析，并对节点整体性能综合评价。 结果表明，此不交汇、非共面的支撑与梁柱节点具有良好的耗能能力，并且外观简洁，施工方便。 本文的研究内容及方法 虽然，国内外对支撑节点、支撑及中心 支撑钢框架结构取得了很多研究成果，但是，中心支撑钢框架结构，中心支撑是主要的抗侧力构件，承受大部分水平荷载，其中一部分荷载通过支撑连接件传递到框架梁和框架柱上。 相应的规范和图集等资料并没有给出关于支撑与梁柱相交节点域的计算方法，工程设计人员主要凭借经验对支撑连接节点进行设计。 为了便于施工安装，支撑与梁相交节点域的厚度往往设计成与中间梁段腹板的厚度相同，并没有对此节点域进行的分析。 虽然，曾针对某工程做过此节点域的有限元分析研究，但是，没有进行深入分析和扩充。 本文依次对此节点的连接件和支撑与梁相交节点域分别进行 研究分析，并提出一些构造要求建议，为设计提供参考。 基于实际钢结构 （中心支撑结构钢框架） 工程中的支撑与梁柱节点模型，利用ANSYS 软件对支撑节点连接件建立有限元模型，分析 支撑杆端圆弧半径、支撑与柱的夹角、支撑端长比、支撑杆端扩散角对支撑连接件传力的影响 ，对支撑连接件中各板 12 件分担的支撑轴力建立计算方法，并提出相应的设计构造建议。 基于实际钢结构 （中心支撑结构钢框架） 工程中的支撑与梁柱节点模型，利用ANSYS 软件对整个节点建立有限元模型，对比分析 支撑轴力、梁端剪力、梁端弯矩、支撑与柱夹角、支撑杆端扩散角等参数对 支撑与梁相交节点域剪应力的影响， 建立此节点域剪应力的计算方法，并提出相应的设计构造建议。 结合相关的理论基础和以上两点的有限元分析，综合考虑分析参数的影响，关于支托式连接支撑节点的设计，提出相应的计算方法及设计建议，为相关的规范和图集提供参考依据。 本课题研究方法： 采用理论分析与有限元模拟分析相结合的研究方法。 首先 根据课题的研究内容查阅相关资料， 了解节点的设计原则及要求和支撑节点的设计要求及内力计算方法，掌握相关的理论知识，学习 ANSYS 有限元分析软件，为课题的研究分析做铺垫。 然后基于实际的钢结构（中心支 撑钢框架结构）工程的支撑节点，利用 ANSYS 有限元分析软件，对典型的支托式连接支撑节点建立模型，通过分析各参数对支撑节点连接件的传力规律和支撑与梁相交节点域剪应力的影响，提出相应的设计要求及设计方法，为此类支撑与框架连接节点的设计提供参考依据。 13 14 第二章 支撑节点的基本理论及有限元分析介绍 节点设计及构造 多高层建筑钢结构中钢构件首先在钢结构厂房加工制作，然后运送到施工现场进行连接组装在一起，才能成为完整的结构体系。 钢构件之间的连接节点一直是工程设计和施工中的重点，连接节点是钢结构的重要部位， 影响到整体结构的受力及安全。 据统计世界震害情况表明，钢结构连接节点的破坏是导致许多建筑物破坏的主要原因。 钢结构节点的受力情况一般都比较复杂，节点的设计构造要求相对比较严格，除了进行相应的理论分析之外，有些高层钢结构的节点尚需进行试验分析研究。 因此，钢结构连接节点的设计是钢结构设计工作的重要内容，必须予以足够的重视。 目前，我国制定的“高层建筑钢结构技术规程”，为节点的构造和设计提供了依据 [52]。 节点设计基本原则 节点的设计是整个工程设计中的重要环节，节点设计一般应遵循以下原则 [53]： （ 1） 传力应明 确、简捷、可靠，使节点计算分析与实际受力情况相一致； 节点的传力路径应明确、简捷，根据节点的实际受力状况和构造要求，把节点简化为合理的、简单的计算简图，以便于分析节点的安全度及设计。 此外，节点应传力均匀，最大限量的减小应力集中造成的不利影响。 （ 2） 保证节点连接有足够的强度和刚度； 节点的强度不够导致节点破坏，节点的刚度不足将产生较大的变形，进而导致节点破坏。 节点的破坏都会导致整个结构的破坏。 因此，节点连接应具有足够的强度和刚度，以避免发生破坏。 （ 3） 采用合理的细部构造； 在地震作用下，节点的细部构造使节点具有良好的 耗能能力，保证节点连接的延性，避免节点发生脆性破坏而导致整个结构的破坏。 若节点发生局部压曲或脆性破坏，则无法体现钢材的延性优点。 （ 4） 构造应简单、经济、便于加工和安装； 节点构造应尽量简单，加工方便，以及安装时容易就位和调整，以保证质量、提高施工效率。 节点的构造设计要综合考虑对加工制作和施工安装的方便性，尽量减少节点的类型，便于标准化制作。 （ 5） 构件之间的拼接一般应按等强度原则，即拼接件和连接强度应能传递断开截面的最大承载力。 节点的抗震设计 节点非抗震设计时，不考虑地震作用，结构承受的风荷载起控制作用， 连接节点 15 处于弹性受力状态，应按结构处于弹性受力阶段设计。 根据建筑抗震设计等规范的要求，需要抗震设防的结构，结构承受的风荷载起控制作用时，按风荷载工况计算分析，同时应满足抗震构造要求的相关规定，如果是结构承受的地震荷载起控制作用，应按建筑抗震设计规范的相关要求设计。 节点在抗震设计结构中，应满足“强连接弱杆件”的要求，即是节点连接的承载力要高于构件自身的承载力。 在大震作用下，允许结构部分进入塑性状态，使节点具有良好的延性。 节点抗震设计的目的，在于保证构件产生充分的塑性变形时，节点不致破坏 [54]。 （ 1） 高层建筑钢结 构的节点连接，当非抗震设防时，应按结构处于弹性受力阶段设计；当抗震设防时，应按结构进入弹塑性阶段设计，节点连接的承载力应高于构件截面的承载力。 下式以梁拼接为例：  （ ）  LM u  （ ） 上式中： ；承担的最大受弯承 载 担)焊 接或螺栓(仅 由翼 缘缘连 接M u — ；梁的全塑性受弯承 载 的M p — 载力。 栓）承担的最大受剪承由腹板连接（焊接或螺—uV 梁的净跨。 —L （ 2） 要求抗震设防的结 构，当风荷载起控制作用时，仍应满足抗震设防的构造要求。 （ 3） 抗震设防的高层建筑钢结构框架，从梁端或柱端算起的 1/10 跨长或两倍截面高度范围内，节点设计应首先验算节点连接的最大承载力；然后验算构件塑性区的板件宽厚比；最后验算受弯构件塑性区侧向支承点间的距离。 中心支撑节点的设计 中心支撑与框架连接节点的特点是节点处各杆件的轴心线都汇交于一点。 支撑与框架的连接包括支撑与梁柱的节点连接，支撑与梁的节点连接，支撑与支撑的节点连接。 中心支撑连接节点满足下列原则设计 [55]： （ 1） 抗震设计要求“强连接弱杆件”，支撑 节点的连接及支撑拼接的极限承载力，应满足下式 的要求。 yn  （ ） 上式中： 载力；支撑轴线方向的极限承螺栓连接或焊缝连接在—ubrN 支撑钢材的屈服强度；—yf 支撑的净截面面积。 —nA 16 中心支撑的重心线应通过梁与柱的轴线的交点，当受构造条件的限制有不大于支撑杆件宽度的偏心是，节点设计应计入偏心造成附加弯矩的影响。 （ 2） 在多层钢结构中，中心支撑与梁柱节点采用节点板连接时，节点板的有效宽度应符号连接件每侧有不小于 30176。 夹角的规定，沿 支撑杆件轴线方向，节点板嵌固点到支撑杆端部的距离不应小于 2 倍节点板厚度，在大震作用下，节点板发生平面外屈曲，避免支撑的破坏，如图 所示。 hbhchbm2t 图 中心支撑节点 Fig Concentrical brace joint （ 3） 超过 12 层的高层钢结构，当支撑杆件采用轧制 H 型钢时，支撑两端与框架连接宜采用刚接。 支撑翼缘与框架梁柱的连接采用全熔透坡口焊缝连接，支撑端部截面宜放大或做成圆弧，应分别在支撑翼缘对应的梁柱构件上设置加劲肋，以承受支撑轴 向力对梁和柱的竖向和水平分力，如图 所示。 hbhchbm hbhchbm （ a） 支撑强轴在平面内 （ b） 支撑弱轴在平面内 图 中心支撑节点 Fig Concentrical brace joint 17 抗震设计时，常将 H 型钢支撑的强轴放在框架平面内方向（图 ），使支撑端部节点的构造更为刚强，其平面外的计算长度可取轴线长度的 倍。 当 支撑弱轴位于框架平面内方向时（图 ），其平面外计算长度可取轴线长度的 倍。 （ 4） 人字形或 V 形支撑在大震下受压屈曲后，其承载力下降，导致横梁在支撑连接处出现不平衡集中力，可能会引起横梁破坏，应在横梁与支撑相交处设置侧向支撑。 该支承点与梁端支承点的侧向长细比以及支承力应符合关于塑性设计的规定。 中心支撑节点的连接形式 中心支撑根据支撑斜杆形式不同，分为十字交叉支撑、单斜杆支撑、人字形支撑、K 形支撑、 V 形支撑等多种支撑形式。 对于 不同的支撑布置形式， 支撑与框架的连接节点主要包括支撑与梁柱的连接节点、 支撑与梁的连接节点、支撑与支撑的连接节点。 根据建筑抗震设计规范的要求，对于不超过 12 层的钢结构，支撑常采用角钢或组合角钢，支撑与框架的连接可以采用节点板式连接形式，连接形式构造简单，施工方便。 超过 12 层的钢结构，支撑常采用 H 型钢，支撑两端应构造刚接。 高层钢结构设计技术规程给出了支托式连接支撑节点形式。 节点板式连接节点 在多层钢结构中，中心支撑常采用角钢或组合角钢等轻型钢构件，中心支撑与梁柱节点采用节点板连接 [56]时，节点板的有效宽度应符号连接件每侧有不小于 30176。 夹角的规定，沿支撑杆件轴线方向， 支撑端部至节点板最近嵌固点的距离不应小于 2 倍节点板厚度，以保证在大震下，节点板发生平面外屈曲，避免支撑的破坏，如图 所示。 hbhchbm2t 图 节点板式连接节点 Fig Tubegusset plate connecting joint 支撑节点板连接形式是国外提出的一种支撑连接形式，这种连接形式构造简单、施工安装方便，细部构造使这种连接形式有更好的耗能能力。 当大震作用时，节点板 18 发生平面外屈曲吸收地震能量，具有良好的延性，避免支撑破坏。 支撑 节点板连接形式主要应用于工业建筑和一些多层民用建筑。 支托式连接节点 在高层钢结构建筑中， 支撑 一般 采用Ｈ 型 钢制作，构造上两端应刚接 ， 带支撑的梁柱节点通常采用柱外带悬臂梁段的形式，使梁柱接头与支撑节点错开 ，支撑采用支撑连接件连接到梁柱节点上，支撑连接件 在与柱梁连接处，应 分别 设置加劲肋 ，支撑与梁柱的这种连接形式称为支托式连接 [57]如图 所示。 支撑轴线与梁柱的轴线交于一点，由于构造条件限制产生偏心，当偏心距离小于支撑杆件宽度时，可以忽略偏心产生的影响，如果偏心大于支撑杆件宽度时，节点设计应计入偏心 产生的附加弯矩。 hbhchbm hbhchbm （ a） 支撑强轴在平面内 （ b） 支撑弱轴在平面内 图 支托式连接节点 Fig Bracket connecting joint。