支托式連接支撐節(jié)點(diǎn)的受力能分析及設(shè)計(jì)方法研究學(xué)位

1、<p>　　支托式連接支撐節(jié)點(diǎn)的受力性能分析及設(shè)計(jì)方法研究</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，我國(guó)的鋼產(chǎn)量逐漸提高，鋼結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于高層建筑中。中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)是一種經(jīng)濟(jì)有效的雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，在高層建筑鋼結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)用廣泛。節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)原則要求節(jié)點(diǎn)連接應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，支撐節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)

2、計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。支撐桿與框架梁柱的連接構(gòu)造，對(duì)中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能有較大影響。</p><p>　　在高層中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)中，支撐一般采用Ｈ型鋼制作，構(gòu)造上兩端應(yīng)剛接，但可按鉸接計(jì)算。梁柱在與支撐連接件翼緣的連接處，應(yīng)分別設(shè)置加勁肋或隔板，支撐與帶有懸臂梁段的梁柱節(jié)點(diǎn)連接的這種連接形式稱為支托式連接形式。這種連接形式的整體性較好，約束能力較強(qiáng)，應(yīng)用比較廣泛。</p><p>　　

3、中心支撐是結(jié)構(gòu)中的主要抗側(cè)力構(gòu)件，承受大部分水平荷載，其中一部分通過(guò)支撐連接件傳遞到梁和柱上。為了便于支撐的連接，保證連接質(zhì)量，一般增大連接件腹板的高度。連接件腹板高度的增大對(duì)節(jié)點(diǎn)及支撐內(nèi)力傳遞的影響，采用的計(jì)算方法和構(gòu)造要求使連接件更均勻合理地傳遞支撐軸力是非常具有實(shí)際意義和研究?jī)r(jià)值。其中一部分水平荷載通過(guò)支撐連接件傳遞到支撐與梁柱相交的節(jié)點(diǎn)域上，而現(xiàn)行規(guī)范和圖集并沒(méi)有給出支撐與梁柱相交節(jié)點(diǎn)域的設(shè)計(jì)方法和相應(yīng)的構(gòu)造要求，設(shè)計(jì)人員主要憑

4、借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，缺乏理論依據(jù)。為此，本文分別對(duì)支撐連接件和支撐與梁相交節(jié)點(diǎn)域的受力性能進(jìn)行了深入分析，提出相應(yīng)的計(jì)算方法和構(gòu)造要求，供工程設(shè)計(jì)參考。主要內(nèi)容如下：</p><p>　　基于實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)（中心支撐結(jié)構(gòu)鋼框架）工程中的支撐與梁柱節(jié)點(diǎn)模型，利用ANSYS軟件對(duì)支撐節(jié)點(diǎn)連接件建立有限元模型。通過(guò)分析支撐桿端圓弧半徑、支撐與柱的夾角、支撐端長(zhǎng)比、支撐桿端擴(kuò)散角對(duì)支撐連接件傳力的影響，對(duì)支撐連接件中各板件分擔(dān)的

5、支撐軸力建立計(jì)算方法，并提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)構(gòu)造建議。</p><p>　　基于實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)（中心支撐結(jié)構(gòu)鋼框架）工程中的支撐與梁柱節(jié)點(diǎn)模型，利用ANSYS軟件對(duì)節(jié)點(diǎn)建立有限元模型。通過(guò)對(duì)比分析支撐軸力、梁端剪力、梁端彎矩、支撐與柱夾角、支撐桿端擴(kuò)散角等參數(shù)對(duì)支撐與梁相交節(jié)點(diǎn)域剪應(yīng)力的影響，建立此節(jié)點(diǎn)域剪應(yīng)力的計(jì)算方法，并提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)構(gòu)造建議。</p><p>　　結(jié)合相關(guān)的理論基礎(chǔ)和以上兩點(diǎn)的

6、有限元分析，綜合考慮分析參數(shù)的影響，關(guān)于支托式連接支撐節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，提出相應(yīng)的計(jì)算方法及設(shè)計(jì)建議，為相關(guān)的規(guī)范和圖集提供參考依據(jù)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；框架；中心支撐；連接件；節(jié)點(diǎn)域</p><p>　　Abstract:With economic development and technological progress, China's steel produc

7、tion has increased. Steel structure is widely used in high-rise buildings. Concentrically braced steel frame structure is a cost-effective dual lateral resistant structure, which is widely used in the high-rise buildings

8、 of steel construction. Requirements of the design principles of the joint are that joint connection should have sufficient strength and stiffness. The design of brace joint is an important part of</p><p>　　

9、In the high-rise buildings of concentrically braced steel frame structures, generally speaking, the brace of H steel, rigid connection at both ends, but can be calculated by hinge at both ends. Ribbed stiffener shall be

10、installed separately in the connection brace connecting piece flange and beam-column, the connection form of brace and beam-column joint with cantilever beam, called the bracket-brace connecting form.This kind of connect

11、ion form has the good integrity, strong restraint ability, w</p><p>　　The central brace is main anti-lateral force member in the structure, withstands the majority of horizontal loads, a part transmited to b

12、eam and column by brace connecting piece. Increasing web plate depth is used for guranteing the quality and the convenience of the connection.The influence of it to the joint and the transmition, and the computational me

13、thod used to joint design and detail requirements of brace connecting piece for transmitting brace axial force,which has the practical signific</p><p>　　Firstly, base on brace-beam-column joint model of prac

14、tical engineering in steel structure (concentrically braced steel frame), finite element models of the brace connecting piece are established by ANSYS software. By analyzing the influence parameters of the brace connecti

15、ng piece, such as arc radius, angle between brace and column, spread angle of brace-end, the formula of distributing brace axial force is established and some design proposals are presented. </p><p>　　Second

16、ly, base on brace-beam-column joint model of practical engineering in steel structure (concentrically braced steel frame), finite element models of the panel zone of the brace-beam connection are established by ANSYS sof

17、tware. By analyzing the influence parameters of the shear stress in the panel zone of the brace-beam connection, such as axial force of brace, moment of beam-end, shear of beam-end, angle between brace and column, spread

18、 angle of brace-end, the formula of shear stress of pa</p><p>　　Thirdly, integrating correlation theories with above two spot finite element analysis and considering each analysis parameter's influence,

19、the corresponding computational method and the design proposals are presented, which can be referred in the design of the brace joint of brace and frame connection and provided the reference for the related codes and sta

20、ndards.</p><p>　　Key words: steel structure; frame; concentrical brace; brace connecting piece; panel zone </p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1 課題研究背景</p><p&g

21、t;　　改革開(kāi)放之前，我國(guó)經(jīng)濟(jì)比較落后，鋼產(chǎn)量比較低，把節(jié)約用鋼列為國(guó)家的一項(xiàng)基本國(guó)策，鋼結(jié)構(gòu)建筑比較少。改革開(kāi)放以來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，鋼產(chǎn)量迅速增長(zhǎng)，國(guó)家提出了合理地使用鋼材、發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)的要求。對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的大量研究發(fā)現(xiàn)，鋼結(jié)構(gòu)具有質(zhì)輕等優(yōu)點(diǎn)使其在高層建筑中廣泛應(yīng)用。伴隨著高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展與應(yīng)用，在設(shè)計(jì)、制作、安裝及施工等方面已積累了很多經(jīng)驗(yàn)，并擁有獨(dú)立的設(shè)計(jì)軟件及相應(yīng)規(guī)范，具備一定的基礎(chǔ)和技術(shù)創(chuàng)新能力[1~3]。<

22、/p><p>　　鋼框架—支撐結(jié)構(gòu)體系是高層建筑鋼結(jié)構(gòu)工程中最常用的一種雙重抗側(cè)力體系之一，根據(jù)支撐類型的不同，分為中心支撐形式（CBF）和偏心支撐形式（EBF）[4]。偏心支撐的特點(diǎn)是支撐斜桿與梁、柱的軸線不匯交于一點(diǎn)，而是偏離一段距離，形成一個(gè)先于支撐斜桿屈服的“消能梁段”，偏心支撐—框架結(jié)構(gòu)的每根斜桿應(yīng)至少有一端與框架梁連接，并在斜桿與梁交點(diǎn)至柱之間或者在同一跨內(nèi)另一斜桿與梁交點(diǎn)之間，形成消能梁段；中心支撐的特

23、點(diǎn)是在支撐的每個(gè)節(jié)點(diǎn)處，各桿件的軸心線匯交于一點(diǎn)，中心支撐根據(jù)支撐斜桿的布置形式不同，分為十字交叉形支撐、單斜桿支撐等多種支撐形式[5~7]，如圖1.1所示。</p><p>　　圖1.1中心支撐的類型</p><p>　　Fig 1.1 The type of concentrically brace </p><p>　　在往復(fù)的水平地震作用，中心支撐斜桿會(huì)從受

24、拉的拉伸狀態(tài)變?yōu)槭軌旱膲呵鼱顟B(tài)，對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大的沖擊性作用，使支撐及其節(jié)點(diǎn)和相鄰構(gòu)件產(chǎn)生很大的附加應(yīng)力，K形支撐的斜桿因在地震作用下發(fā)生受壓屈曲或受拉屈服時(shí)，將使柱子發(fā)生屈曲甚至嚴(yán)重破壞。因此，對(duì)于地震區(qū)的高層鋼結(jié)構(gòu)建筑，不應(yīng)采用K形中心支撐形式。在實(shí)際工程中，而對(duì)于十字交叉形支撐、人字形支撐和V形支撐應(yīng)用的更廣泛，當(dāng)采用單斜桿支撐時(shí)，需成對(duì)地設(shè)置對(duì)稱的單斜桿，以便于在往復(fù)的水平地震作用下，可由對(duì)應(yīng)方向的單斜桿承擔(dān)軸向拉力，避免水平地震

25、剪力的傳遞路線受到中斷而破壞[8,9]。</p><p>　　鋼框架中心支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，支撐桿件一般不承擔(dān)豎向荷載，所以，在地震作用以及風(fēng)荷載作用下，支撐斜桿產(chǎn)生屈曲后，不會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的迅速倒塌危及生命安全，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的適當(dāng)控制，進(jìn)而減輕建筑物的破壞程度。因此，框架—中心支撐結(jié)構(gòu)是一種經(jīng)濟(jì)有效的抗震結(jié)構(gòu)形式，被廣泛應(yīng)用于高層建筑工程中[10,11]。</p><p>　　伴隨著高層建

26、筑鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展與應(yīng)用，鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)抗震性能的研究，鋼結(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要部位，受到國(guó)內(nèi)外工程界的重視。工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的破壞往往是導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)破壞的主要原因，節(jié)點(diǎn)的梁端或柱端和支撐節(jié)點(diǎn)等部位，在大震作用下必然遭受很大的內(nèi)力[12]。</p><p>　　近年來(lái)隨著工程界各位專家的研究不斷深入，支撐節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造與計(jì)算理論都逐漸地豐富起來(lái)[13]。中心支撐斜桿在框架節(jié)點(diǎn)處的連接形式主要有兩種，一種

27、是斜桿為雙槽鋼或雙角鋼組合截面與節(jié)點(diǎn)板的連接形式（組合角鋼僅宜用于非抗震設(shè)防結(jié)構(gòu)中按受拉桿設(shè)計(jì)），另一種是斜桿為工字形鋼（或H型鋼）與工字形懸臂桿的連接（或轉(zhuǎn)換連接）[14]。在高層建筑鋼結(jié)構(gòu)中，支撐一般選用H型鋼，支撐兩端按鉸接計(jì)算，構(gòu)造上為剛接[15]。在高鋼規(guī)中給出了幾種支撐節(jié)點(diǎn)的支托式連接形式，均為剛接構(gòu)造，節(jié)點(diǎn)的約束能力較好，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體剛度有一定的貢獻(xiàn)。目前這種節(jié)點(diǎn)連接形式廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)高層鋼結(jié)構(gòu)建筑中，節(jié)點(diǎn)連接形式如圖1.

28、2所示。</p><p>　?。╝）支撐強(qiáng)軸在平面內(nèi) （b）支撐弱軸在平面內(nèi)</p><p>　　圖1.2中心支撐節(jié)點(diǎn)</p><p>　　Fig 1.2 Concentrical brace joint</p><p>　　在高層鋼結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用中，為了便于施工、構(gòu)造處理和滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件”的要求[16]

29、，帶支撐的梁柱節(jié)點(diǎn)通常采用柱外帶懸臂梁段的節(jié)點(diǎn)連接形式，工字形懸臂桿與框架梁柱的連接節(jié)點(diǎn)一般在工廠加工制作，懸臂梁段與柱以及工字形懸臂桿與梁柱連接均采用焊縫連接，然后運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)對(duì)支撐和梁再進(jìn)行拼接連接。雖然這種連接形式應(yīng)用比較廣泛，但是相應(yīng)的規(guī)范和圖集中并沒(méi)有給出具體的設(shè)計(jì)方法和構(gòu)造要求，設(shè)計(jì)人員主要憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)可以參考。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，懸臂梁段腹板與中間梁段腹板通常設(shè)計(jì)成等厚，一般情況下，梁的腹板較薄。在地震作用

30、下，支撐是主要的水平抗側(cè)力構(gòu)件，其中一部分力傳遞到支撐與梁相交的節(jié)點(diǎn)域上。因此，這種設(shè)計(jì)是否合理，有待于進(jìn)一步的研究。</p><p>　　1.2 課題研究目的及意義</p><p>　　近年來(lái)隨著研究的不斷深入，關(guān)于中心支撐——鋼框架結(jié)構(gòu)及中心支撐的研究取得了很大進(jìn)展，但對(duì)支撐節(jié)點(diǎn)的研究仍然較少。根據(jù)國(guó)內(nèi)外震害分析表明，許多鋼結(jié)構(gòu)的破壞是由于節(jié)點(diǎn)首先發(fā)生破壞引起的，抗震設(shè)計(jì)的 “強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱

31、桿件”要求，這突顯出對(duì)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的重要性。因此，關(guān)于中心支撐節(jié)點(diǎn)還有待于進(jìn)一步的研究。 首先，基于實(shí)際工程中的某個(gè)支撐與梁柱的節(jié)點(diǎn)，通過(guò)ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行建模分析，對(duì)其支撐連接件在支撐軸力作用下的傳力規(guī)律進(jìn)行受力性能研究，利用分析結(jié)果，提出支撐節(jié)點(diǎn)處支撐連接件的設(shè)計(jì)方法及一些構(gòu)造要求建議，為此類支撐節(jié)點(diǎn)連接件的設(shè)計(jì)提供參考。其次，基于某實(shí)際工程中的某個(gè)支撐與梁柱的節(jié)點(diǎn)，通過(guò)ANSYS有限元分析軟件對(duì)其節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模分析，對(duì)支撐與梁

32、相交節(jié)點(diǎn)域進(jìn)行受力性能研究，利用分析結(jié)果，提出支撐與梁相交節(jié)點(diǎn)域的設(shè)計(jì)方法及一些構(gòu)造要求建議，為此類支撐節(jié)點(diǎn)連接件的設(shè)計(jì)提供參考。</p><p>　　通過(guò)本課題的研究，為支托式連接支撐與框架連接節(jié)點(diǎn)提供相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法及構(gòu)造要求建議，進(jìn)一步地完善支托式連接支撐與梁柱節(jié)點(diǎn)的連接形式，滿足有關(guān)工程設(shè)計(jì)及施工需要，為相關(guān)地方標(biāo)準(zhǔn)及國(guó)家規(guī)范提供參考。</p><p>　　1.3 國(guó)內(nèi)外同類課題研究

33、現(xiàn)狀</p><p>　　1.3.1國(guó)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　1952年Whitmore[17]提出有效寬度概念，如圖1.3所示，即是斜桿軸力N將通過(guò)連接件傳遞到節(jié)點(diǎn)板上，在節(jié)點(diǎn)板內(nèi)按照某一個(gè)擴(kuò)散角度傳至連接件端部與斜桿軸力N相垂直的一定寬度范圍內(nèi)，則該一定寬度即稱為有效寬度be。利用這一概念可以得到節(jié)點(diǎn)板的抗拉承載力與實(shí)際受力情況很接近，但是，利用有效寬度法計(jì)算節(jié)點(diǎn)板的抗壓承載力

34、時(shí)卻顯得偏于不安全。</p><p>　?。╝） 支撐螺栓連接 (b) 支撐焊接連接</p><p>　　圖1.3 有效寬度概念</p><p>　　Fig 1.3 The concept of effective width</p><p>　　1984年Thornton提出節(jié)點(diǎn)板受壓承

35、載力計(jì)算方法。不他認(rèn)為支撐斜桿的壓力，傳遞到節(jié)點(diǎn)板上，由節(jié)點(diǎn)板上受壓部分形成的短柱承擔(dān)[18]。短柱長(zhǎng)度為有效寬度截面到梁柱的最長(zhǎng)距離，Whitmore認(rèn)為柱子的有效長(zhǎng)度系數(shù)應(yīng)取0.65，Gross通過(guò)靜力試驗(yàn)分析，他認(rèn)為取0.5[19]更合理。但是，Cheng認(rèn)為取0.5是偏于保守[20]。</p><p>　　1985年Abolhassan Astaneh-Asl認(rèn)為支撐端部在節(jié)點(diǎn)板2倍板厚范圍具有較好的塑性

36、能力。在試驗(yàn)中觀察到三個(gè)塑性鉸，兩個(gè)塑性鉸在支撐端部的節(jié)點(diǎn)板上的，另一個(gè)在支撐桿件中間位置[21,22]。</p><p>　　1994年J.J.Roger對(duì)節(jié)點(diǎn)板屈曲性能進(jìn)行了研究分析，研究發(fā)現(xiàn)：隨著節(jié)點(diǎn)板厚度的增加，節(jié)點(diǎn)板的屈曲承載力逐漸增大；隨著節(jié)點(diǎn)板自由邊長(zhǎng)度的增大，節(jié)點(diǎn)板的屈曲承載力逐漸減小。對(duì)于厚度較薄的節(jié)點(diǎn)板時(shí)，當(dāng)采用有效寬度法計(jì)算屈曲承載力是偏于不安全的[23]。</p><p

37、>　　1997年UBC（Uniform Building Code）統(tǒng)一建筑規(guī)范給出了均力法及其應(yīng)用實(shí)例[24]。 </p><p><b>　?。?.1）</b></p><p><b>　　，，，（1.2）</b></p><p><b>　?。?.3）</b></p>&l

38、t;p><b>　　上式中：</b></p><p>　　在計(jì)算支撐與梁柱連接的內(nèi)力方面，還有簡(jiǎn)化正交分解法[25]（如圖1.4）、桁架模擬法[26]（如圖1.5）、平行力法[27]（如圖1.6）、KISS法（如圖1.7），簡(jiǎn)化正交分解法是最常用的一種計(jì)算方法，對(duì)于同一個(gè)實(shí)例，采用以上不同的幾種方法分別進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，簡(jiǎn)化正交分解法、平行力法、桁架模擬法、KISS法計(jì)算的結(jié)

39、果都比均力法浪費(fèi)。因此，在計(jì)算支撐與梁柱連接的內(nèi)力時(shí)，采用均力法計(jì)算是最為經(jīng)濟(jì)。</p><p>　　圖1.4 簡(jiǎn)化正交分解法 圖1.5 桁架模擬法</p><p>　　Fig 1.4 Proper orthogonal decomposition Fig 1.5 Truss simulation method</p>

40、;<p>　　圖1.6平行法 圖1.7 KISS法</p><p>　　Fig 1.6 Parallel method Fig 1.7 KISS method</p><p>　　2001年Thornton提出支撐節(jié)點(diǎn)板的連接包括五個(gè)方面，分別是：它與支撐的連接、它與柱的連接、它與梁的連接、梁與柱

41、的連接、支撐連接反方向的梁與柱的連接[28]?！睹绹?guó)鋼結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范》[29]對(duì)2t進(jìn)行了定義，即是離支撐端部最近的嵌固點(diǎn)向支撐軸心線做垂線與支撐端部的距離，如圖1.8所示。但Lundeen認(rèn)為2t是節(jié)點(diǎn)板兩個(gè)嵌固點(diǎn)連線到支撐端部的最小距離[30]，如圖1.9所示。</p><p>　　圖1.8 AISC對(duì)2t的規(guī)定 圖1.9 Lundeen對(duì)2t的規(guī)定</p><

42、;p>　　Fig 1.8 The AISC definition of 2t Fig 1.9 The Lundeen definition of 2t</p><p>　　2001年N.Sheng對(duì)節(jié)點(diǎn)板強(qiáng)度和受壓性能的影響參數(shù)進(jìn)行了一系列研究[31]。他認(rèn)為當(dāng)較長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)板自由邊長(zhǎng)度與厚度的比值超過(guò) 時(shí)，節(jié)點(diǎn)板自由邊會(huì)出現(xiàn)局部屈曲，并使節(jié)點(diǎn)板的極限受壓承載力下降幅度增大。</p&g

43、t;<p>　　2002年M.C.H.Yam和J.J.R.Cheng主要對(duì)節(jié)點(diǎn)板的受壓性能進(jìn)行了深入研究[32]。主要分析了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)有效寬度法提出了新的見(jiàn)解，他們認(rèn)為采用有效寬度法時(shí)，計(jì)算較大節(jié)點(diǎn)板的極限承載力是不太安全的；而計(jì)算較小節(jié)點(diǎn)板的極限承載力是過(guò)于保守了。在試驗(yàn)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，支撐的角度對(duì)于節(jié)點(diǎn)板也是有影響的，當(dāng)支撐的角度為30°時(shí)，宜使節(jié)點(diǎn)板發(fā)生平面外彎曲。</p><p

44、>　　2005年Walbridge通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)板的單向加載試驗(yàn)和往復(fù)加載試驗(yàn)進(jìn)行研究分析，他認(rèn)為這兩種加載方式對(duì)節(jié)點(diǎn)板的受力性能影響不大，在往復(fù)試驗(yàn)中，從耗能方面分析時(shí)，與支撐發(fā)生屈曲相比，節(jié)點(diǎn)板發(fā)生屈曲使得節(jié)點(diǎn)耗能更有效，并且節(jié)點(diǎn)板的厚度越大，耗能能力越好[33]。</p><p>　　2008年Jung-Han Yoo等人根據(jù)中心支撐—框架的抗震性能試驗(yàn)[34]，進(jìn)行了研究分析發(fā)現(xiàn)：結(jié)構(gòu)中梁和柱的塑性變形

45、較大，因此，認(rèn)為節(jié)點(diǎn)板與框架的連接不是鉸接。為了抵抗支撐傳來(lái)的軸力，需要提高節(jié)點(diǎn)板的強(qiáng)度和剛度，但是，當(dāng)節(jié)點(diǎn)板的強(qiáng)度和剛度足夠大時(shí)，使得支撐的有效長(zhǎng)度減小，在地震作用下，支撐是主要的抗側(cè)力構(gòu)件，承受更多的水平地震力，塑性變形更多的集中于支撐上，支撐會(huì)過(guò)早的發(fā)生破壞。</p><p>　　2008年Jung-Han Yoo和Dawn E.Lehman等人提出“橢圓凈距離模式”概念[35]，如圖1.10所示。在實(shí)際的

46、工程中發(fā)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)板滿足2t的設(shè)計(jì)要求時(shí)，由于節(jié)點(diǎn)板增大，給工藝布置帶來(lái)一些不便，并且不經(jīng)濟(jì)。其中，Jung-HanYoo認(rèn)為：采用橢圓凈距離模式會(huì)使框架得到更好的抗震性能。并且他給出了橢圓凈距離的最佳值為（6~8）tp，當(dāng)小于6tp時(shí)，節(jié)點(diǎn)板的焊縫會(huì)過(guò)早出現(xiàn)裂縫；當(dāng)大于8tp時(shí)，使得支撐過(guò)早出現(xiàn)脆性破壞。Dawn E.Lehman等人認(rèn)為采用這種距離模式，使節(jié)點(diǎn)板的柔性增大，減小了梁柱的焊縫破壞[36]。</p><

47、p>　　圖1.10 橢圓模式</p><p>　　Fig 1.10 Ellipse mode</p><p>　　2010年Young-Ju Kim等人對(duì)H型支撐的斜肋節(jié)點(diǎn)進(jìn)行滯回性能研究[37]。試驗(yàn)表明：翼緣與翼緣焊接考慮到減小V點(diǎn)的剛度和大的塑性應(yīng)變而采用PP焊接法，這可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，甚至影響重力的承載機(jī)制，因此，建議翼緣焊接采用FP焊接法；斜肋的重疊長(zhǎng)度對(duì)滯回性能起著重

48、要的支配作用，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，一個(gè)較小的重疊長(zhǎng)度與標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度L相比，較小的重疊長(zhǎng)度不能得到較好的滯回性能，因此，建議重疊的長(zhǎng)度至少是超出標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為L(zhǎng)。</p><p>　　1.3.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀</p><p>　　1986年王福田[38]在《鋼支撐節(jié)點(diǎn)在抗震中的作用與設(shè)計(jì)》中指出：通過(guò)對(duì)鋼支撐節(jié)點(diǎn)震害調(diào)查與研究，他認(rèn)為螺栓連接的節(jié)點(diǎn)比焊接連接節(jié)點(diǎn)的安全度要低；通過(guò)試驗(yàn)表明：在節(jié)點(diǎn)板平面外設(shè)置

49、加勁肋，有效地提高了支撐節(jié)點(diǎn)的剛度，其節(jié)點(diǎn)的荷載—變形曲線有明顯的變化。</p><p>　　1987年沈澤淵、趙熙元[39]指出：對(duì)于焊接鋼桁架采用外加式節(jié)點(diǎn)板時(shí)，其自由邊寬厚比應(yīng)小于 。如果超過(guò)此值時(shí)，應(yīng)在自由邊設(shè)橫向加勁肋。</p><p>　　1999年柴錫強(qiáng)、饒芝英等人[40]指出：支撐節(jié)點(diǎn)板的加固方法，在支撐節(jié)點(diǎn)板的自由邊加平板，節(jié)點(diǎn)板邊界條件發(fā)生變化，從而使節(jié)點(diǎn)板的剛度增大；

50、在節(jié)點(diǎn)板兩側(cè)沿支撐軸線方向加T形板，從而使其長(zhǎng)細(xì)比減小，增大節(jié)點(diǎn)板的剛度。</p><p>　　2003年程超等人[41]詳細(xì)介紹了均立法的原理并舉例說(shuō)明其應(yīng)用，分析了幾何和力的參數(shù)關(guān)系。通過(guò)試驗(yàn)證明，均立法在計(jì)算節(jié)點(diǎn)內(nèi)力方面是一種比較安全而經(jīng)濟(jì)的方法，試驗(yàn)的破壞荷載和模型比較接近情況。</p><p>　　2003年劉維亞等人[42]總結(jié)了關(guān)于支撐節(jié)點(diǎn)連接受力的三種計(jì)算方法。這三種計(jì)算方

51、法分別是：均勻力法、等代梁法和常用的簡(jiǎn)化方法。常用的簡(jiǎn)化方法在國(guó)內(nèi)常被采用，也叫做正交分解法，把支撐桿內(nèi)力分解為水平分力和垂直分力，分別傳遞到節(jié)點(diǎn)板與梁柱連接處，此時(shí)的節(jié)點(diǎn)板與梁柱連接處僅承受剪力，忽略了軸力和彎矩的影響。</p><p>　　2006年程建平等人[43]基于上海中福城鋼結(jié)構(gòu)住宅樓，針對(duì)此工程中出現(xiàn)的小夾角支撐節(jié)點(diǎn)，提出了一些處理方法，高層鋼結(jié)構(gòu)中小夾角H形和箱型支撐節(jié)點(diǎn)的處理，提出了加勁肋(隔板

52、)的位置移動(dòng)處理方法，采用此方法后，降低了現(xiàn)場(chǎng)焊接施工難度，并且提高了焊縫質(zhì)量和施工進(jìn)度。</p><p>　　2006年楊國(guó)華[44]對(duì)多層柱支撐鉸接鋼框架進(jìn)行了抗震性能研究，他認(rèn)為：對(duì)于三到五層的鋼框架，支撐與柱鉸接鋼框架的抗震性能要比支撐與柱剛接鋼框架的抗震性能要提高很多；在共同滿足最大頂點(diǎn)側(cè)移限制時(shí)，支撐兩端剛接鋼框架比支撐兩端鉸接鋼框架所需構(gòu)件截面大，因此，支撐兩端鉸接的鋼框架更為經(jīng)濟(jì)。</p&g

53、t;<p>　　2007年孫雨宋[45]對(duì)支撐和節(jié)點(diǎn)板延性性能的抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。他認(rèn)為：當(dāng)支撐構(gòu)件發(fā)生屈曲時(shí)，與支撐桿端部相連的節(jié)點(diǎn)板應(yīng)具有足夠的延性，以便滿足支撐桿端部轉(zhuǎn)動(dòng)，節(jié)點(diǎn)板的延性破壞模式應(yīng)為流塑模式；并建議：支撐桿與節(jié)點(diǎn)板連接節(jié)點(diǎn)的承壓能力和屈服能力，不應(yīng)小于采用預(yù)計(jì)的實(shí)際屈服應(yīng)力計(jì)算的構(gòu)件屈服能力。</p><p>　　2008年聶華[46]對(duì)鋼結(jié)構(gòu)支撐節(jié)點(diǎn)板與梁柱連接的內(nèi)力計(jì)算方法

54、進(jìn)行比較分析研究。他認(rèn)為：主要對(duì)比分析了國(guó)內(nèi)常用的簡(jiǎn)化計(jì)算方法和美國(guó)的均力法，并采用了實(shí)例進(jìn)行對(duì)比分析，國(guó)內(nèi)的簡(jiǎn)化方法安全系數(shù)更高，但會(huì)造成一定程度的浪費(fèi)。因此，當(dāng)支撐內(nèi)力較大時(shí)，宜采用均力法計(jì)算，或者用其它更接近實(shí)際的計(jì)算方法。</p><p>　　2008年黃明超[47]對(duì)鉸接鋼架支撐連接節(jié)點(diǎn)性能及其設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，他指出：根據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析研究，即使人字形支撐端部不滿足2t時(shí)，節(jié)點(diǎn)板仍具有很好的塑性變

55、形能力，仍能實(shí)現(xiàn)平面外失穩(wěn)后的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)作者還指出，在水平地震荷載作用下，在節(jié)點(diǎn)板的平面外方向施加的加勁肋，并沒(méi)有提高整個(gè)體系的耗能能力和屈曲承載力。為了施工方便和構(gòu)造簡(jiǎn)單，因此，作者建議：對(duì)于人字形支撐與梁連接的節(jié)點(diǎn)板，其自由邊長(zhǎng)度和厚度之比可以大于，不需要在節(jié)點(diǎn)板外加肋。</p><p>　　2008年顏瀟瀟、童根樹(shù)等人[48]基于成達(dá)大廈實(shí)際工程，對(duì)跨層巨型斜支撐體系的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)研究。根據(jù)有限元

56、分析的結(jié)果，他認(rèn)為：支撐與梁相交節(jié)點(diǎn)域的剪應(yīng)力和von-mises應(yīng)力都較大，超過(guò)了材料的允許應(yīng)力，因此，針對(duì)原設(shè)計(jì)中此節(jié)點(diǎn)域厚度與中間梁段腹板厚度相同進(jìn)行修改，加厚到原來(lái)的一倍才滿足安全要求。作者結(jié)合此工程的分析，對(duì)于此節(jié)點(diǎn)域薄弱的情況，可采取下列方法：增大支撐節(jié)點(diǎn)域處梁腹板的厚度，或采用與支撐腹板同厚，當(dāng)由于支撐翼緣較厚時(shí)，可采取梁打斷支撐貫通的做法。</p><p>　　2009年陳世璽[49]對(duì)節(jié)點(diǎn)板式連

57、接的支撐節(jié)點(diǎn)進(jìn)行力學(xué)性能分析和設(shè)計(jì)方法研究。他指出：當(dāng)支撐采用節(jié)點(diǎn)板與梁柱連接時(shí)，節(jié)點(diǎn)板厚度和支撐與柱夾角對(duì)節(jié)點(diǎn)板的破壞順序影響不大；支撐翼緣寬厚比較小時(shí)，支撐具有較長(zhǎng)的低周疲勞壽命；支撐的長(zhǎng)細(xì)比較大時(shí)，支撐具有較長(zhǎng)的低周疲勞壽命；當(dāng)節(jié)點(diǎn)板滿足2t時(shí)，支撐具有更高的低周疲勞壽命。</p><p>　　2009年 牟 偉[50]關(guān)于支撐節(jié)點(diǎn)板對(duì)鉸接支撐框架結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行有限元分析。他指出：節(jié)點(diǎn)板的尺寸對(duì)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛

58、度有較大的影響，隨著節(jié)點(diǎn)板尺寸和厚度的逐漸增大，節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度逐漸增加；當(dāng)對(duì)于不對(duì)稱的節(jié)點(diǎn)板時(shí)，增大節(jié)點(diǎn)板與梁連接邊的長(zhǎng)度對(duì)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的影響更大。</p><p>　　2009年陳以一等人[51]針對(duì)廣州新電視塔的新型空間柱-梁-撐節(jié)點(diǎn)進(jìn)行抗震性能試驗(yàn)研究。他們將此節(jié)點(diǎn)分為三部分，分別對(duì)每個(gè)部分進(jìn)行滯回性能和極限承載力進(jìn)行分析，并對(duì)節(jié)點(diǎn)整體性能綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，此不交匯、非共面的支撐與梁柱節(jié)點(diǎn)具有良好的耗能能

59、力，并且外觀簡(jiǎn)潔，施工方便。</p><p>　　1.4 本文的研究?jī)?nèi)容及方法</p><p>　　雖然，國(guó)內(nèi)外對(duì)支撐節(jié)點(diǎn)、支撐及中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)取得了很多研究成果，但是，中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)，中心支撐是主要的抗側(cè)力構(gòu)件，承受大部分水平荷載，其中一部分荷載通過(guò)支撐連接件傳遞到框架梁和框架柱上。相應(yīng)的規(guī)范和圖集等資料并沒(méi)有給出關(guān)于支撐與梁柱相交節(jié)點(diǎn)域的計(jì)算方法，工程設(shè)計(jì)人員主要憑借經(jīng)驗(yàn)對(duì)支撐

60、連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了便于施工安裝，支撐與梁相交節(jié)點(diǎn)域的厚度往往設(shè)計(jì)成與中間梁段腹板的厚度相同，并沒(méi)有對(duì)此節(jié)點(diǎn)域進(jìn)行的分析。雖然，曾針對(duì)某工程做過(guò)此節(jié)點(diǎn)域的有限元分析研究，但是，沒(méi)有進(jìn)行深入分析和擴(kuò)充。本文依次對(duì)此節(jié)點(diǎn)的連接件和支撐與梁相交節(jié)點(diǎn)域分別進(jìn)行研究分析，并提出一些構(gòu)造要求建議，為設(shè)計(jì)提供參考。</p><p>　　基于實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)（中心支撐結(jié)構(gòu)鋼框架）工程中的支撐與梁柱節(jié)點(diǎn)模型，利用ANSYS軟件對(duì)支撐節(jié)

61、點(diǎn)連接件建立有限元模型，分析支撐桿端圓弧半徑、支撐與柱的夾角、支撐端長(zhǎng)比、支撐桿端擴(kuò)散角對(duì)支撐連接件傳力的影響，對(duì)支撐連接件中各板件分擔(dān)的支撐軸力建立計(jì)算方法，并提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)構(gòu)造建議。</p><p>　　基于實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)（中心支撐結(jié)構(gòu)鋼框架）工程中的支撐與梁柱節(jié)點(diǎn)模型，利用ANSYS軟件對(duì)整個(gè)節(jié)點(diǎn)建立有限元模型，對(duì)比分析支撐軸力、梁端剪力、梁端彎矩、支撐與柱夾角、支撐桿端擴(kuò)散角等參數(shù)對(duì)支撐與梁相交節(jié)點(diǎn)域剪應(yīng)力的

62、影響，建立此節(jié)點(diǎn)域剪應(yīng)力的計(jì)算方法，并提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)構(gòu)造建議。</p><p>　　結(jié)合相關(guān)的理論基礎(chǔ)和以上兩點(diǎn)的有限元分析，綜合考慮分析參數(shù)的影響，關(guān)于支托式連接支撐節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，提出相應(yīng)的計(jì)算方法及設(shè)計(jì)建議，為相關(guān)的規(guī)范和圖集提供參考依據(jù)。</p><p><b>　　本課題研究方法：</b></p><p>　　采用理論分析與有限元模擬分析

63、相結(jié)合的研究方法。首先根據(jù)課題的研究?jī)?nèi)容查閱相關(guān)資料，了解節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)原則及要求和支撐節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)要求及內(nèi)力計(jì)算方法，掌握相關(guān)的理論知識(shí)，學(xué)習(xí)ANSYS有限元分析軟件，為課題的研究分析做鋪墊。然后基于實(shí)際的鋼結(jié)構(gòu)（中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)）工程的支撐節(jié)點(diǎn)，利用ANSYS有限元分析軟件，對(duì)典型的支托式連接支撐節(jié)點(diǎn)建立模型，通過(guò)分析各參數(shù)對(duì)支撐節(jié)點(diǎn)連接件的傳力規(guī)律和支撐與梁相交節(jié)點(diǎn)域剪應(yīng)力的影響，提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)方法，為此類支撐與框架連接節(jié)點(diǎn)

64、的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。</p><p>　　第二章 支撐節(jié)點(diǎn)的基本理論及有限元分析介紹</p><p>　　2.1節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及構(gòu)造</p><p>　　多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)中鋼構(gòu)件首先在鋼結(jié)構(gòu)廠房加工制作，然后運(yùn)送到施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行連接組裝在一起，才能成為完整的結(jié)構(gòu)體系。鋼構(gòu)件之間的連接節(jié)點(diǎn)一直是工程設(shè)計(jì)和施工中的重點(diǎn)，連接節(jié)點(diǎn)是鋼結(jié)構(gòu)的重要部位，影響到整體結(jié)構(gòu)的受力及安全。據(jù)

65、統(tǒng)計(jì)世界震害情況表明，鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)的破壞是導(dǎo)致許多建筑物破壞的主要原因。鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的受力情況一般都比較復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)構(gòu)造要求相對(duì)比較嚴(yán)格，除了進(jìn)行相應(yīng)的理論分析之外，有些高層鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)尚需進(jìn)行試驗(yàn)分析研究。因此，鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的重要內(nèi)容，必須予以足夠的重視。目前，我國(guó)制定的“高層建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程”，為節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造和設(shè)計(jì)提供了依據(jù)[52]。</p><p>　　2.1.1節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)基本原則

66、</p><p>　　節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是整個(gè)工程設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)一般應(yīng)遵循以下原則[53]：</p><p>　　傳力應(yīng)明確、簡(jiǎn)捷、可靠，使節(jié)點(diǎn)計(jì)算分析與實(shí)際受力情況相一致；</p><p>　　節(jié)點(diǎn)的傳力路徑應(yīng)明確、簡(jiǎn)捷，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際受力狀況和構(gòu)造要求，把節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化為合理的、簡(jiǎn)單的計(jì)算簡(jiǎn)圖，以便于分析節(jié)點(diǎn)的安全度及設(shè)計(jì)。此外，節(jié)點(diǎn)應(yīng)傳力均勻，最大限量的減小應(yīng)力

67、集中造成的不利影響。</p><p>　　保證節(jié)點(diǎn)連接有足夠的強(qiáng)度和剛度；</p><p>　　節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度不夠?qū)е鹿?jié)點(diǎn)破壞，節(jié)點(diǎn)的剛度不足將產(chǎn)生較大的變形，進(jìn)而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)破壞。節(jié)點(diǎn)的破壞都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞。因此，節(jié)點(diǎn)連接應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以避免發(fā)生破壞。</p><p>　　采用合理的細(xì)部構(gòu)造；</p><p>　　在地震作用下，節(jié)點(diǎn)

68、的細(xì)部構(gòu)造使節(jié)點(diǎn)具有良好的耗能能力，保證節(jié)點(diǎn)連接的延性，避免節(jié)點(diǎn)發(fā)生脆性破壞而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞。若節(jié)點(diǎn)發(fā)生局部壓曲或脆性破壞，則無(wú)法體現(xiàn)鋼材的延性優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　構(gòu)造應(yīng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、便于加工和安裝；</p><p>　　節(jié)點(diǎn)構(gòu)造應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，加工方便，以及安裝時(shí)容易就位和調(diào)整，以保證質(zhì)量、提高施工效率。節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造設(shè)計(jì)要綜合考慮對(duì)加工制作和施工安裝的方便性，盡量減少節(jié)點(diǎn)的類型，便于

69、標(biāo)準(zhǔn)化制作。</p><p>　　構(gòu)件之間的拼接一般應(yīng)按等強(qiáng)度原則，即拼接件和連接強(qiáng)度應(yīng)能傳遞斷開(kāi)截面的最大承載力。</p><p>　　2.1.2節(jié)點(diǎn)的抗震設(shè)計(jì)</p><p>　　節(jié)點(diǎn)非抗震設(shè)計(jì)時(shí)，不考慮地震作用，結(jié)構(gòu)承受的風(fēng)荷載起控制作用，連接節(jié)點(diǎn)處于彈性受力狀態(tài)，應(yīng)按結(jié)構(gòu)處于彈性受力階段設(shè)計(jì)。根據(jù)建筑抗震設(shè)計(jì)等規(guī)范的要求，需要抗震設(shè)防的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)承受的風(fēng)荷載

70、起控制作用時(shí)，按風(fēng)荷載工況計(jì)算分析，同時(shí)應(yīng)滿足抗震構(gòu)造要求的相關(guān)規(guī)定，如果是結(jié)構(gòu)承受的地震荷載起控制作用，應(yīng)按建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)要求設(shè)計(jì)。節(jié)點(diǎn)在抗震設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中，應(yīng)滿足“強(qiáng)連接弱桿件”的要求，即是節(jié)點(diǎn)連接的承載力要高于構(gòu)件自身的承載力。在大震作用下，允許結(jié)構(gòu)部分進(jìn)入塑性狀態(tài)，使節(jié)點(diǎn)具有良好的延性。節(jié)點(diǎn)抗震設(shè)計(jì)的目的，在于保證構(gòu)件產(chǎn)生充分的塑性變形時(shí)，節(jié)點(diǎn)不致破壞[54]。</p><p>　　高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)

71、點(diǎn)連接，當(dāng)非抗震設(shè)防時(shí)，應(yīng)按結(jié)構(gòu)處于彈性受力階段設(shè)計(jì)；當(dāng)抗震設(shè)防時(shí)，應(yīng)按結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段設(shè)計(jì)，節(jié)點(diǎn)連接的承載力應(yīng)高于構(gòu)件截面的承載力。下式以梁拼接為例：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p><b>　　（2.2）</b></p><p><b>　　上式中：</b><

72、;/p><p>　　要求抗震設(shè)防的結(jié)構(gòu)，當(dāng)風(fēng)荷載起控制作用時(shí)，仍應(yīng)滿足抗震設(shè)防的構(gòu)造要求。</p><p>　　抗震設(shè)防的高層建筑鋼結(jié)構(gòu)框架，從梁端或柱端算起的1/10跨長(zhǎng)或兩倍截面高度范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)首先驗(yàn)算節(jié)點(diǎn)連接的最大承載力；然后驗(yàn)算構(gòu)件塑性區(qū)的板件寬厚比；最后驗(yàn)算受彎構(gòu)件塑性區(qū)側(cè)向支承點(diǎn)間的距離。</p><p>　　2.1.3中心支撐節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)</p&

73、gt;<p>　　中心支撐與框架連接節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)處各桿件的軸心線都匯交于一點(diǎn)。支撐與框架的連接包括支撐與梁柱的節(jié)點(diǎn)連接，支撐與梁的節(jié)點(diǎn)連接，支撐與支撐的節(jié)點(diǎn)連接。中心支撐連接節(jié)點(diǎn)滿足下列原則設(shè)計(jì)[55]： </p><p>　　抗震設(shè)計(jì)要求“強(qiáng)連接弱桿件”，支撐節(jié)點(diǎn)的連接及支撐拼接的極限承載力，應(yīng)滿足下式的要求。</p><p><b>　?。?.3）</

74、b></p><p><b>　　上式中：</b></p><p>　　中心支撐的重心線應(yīng)通過(guò)梁與柱的軸線的交點(diǎn)，當(dāng)受構(gòu)造條件的限制有不大于支撐桿件寬度的偏心是，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)計(jì)入偏心造成附加彎矩的影響。</p><p>　　在多層鋼結(jié)構(gòu)中，中心支撐與梁柱節(jié)點(diǎn)采用節(jié)點(diǎn)板連接時(shí)，節(jié)點(diǎn)板的有效寬度應(yīng)符號(hào)連接件每側(cè)有不小于30°夾角的規(guī)定

75、，沿支撐桿件軸線方向，節(jié)點(diǎn)板嵌固點(diǎn)到支撐桿端部的距離不應(yīng)小于2倍節(jié)點(diǎn)板厚度，在大震作用下，節(jié)點(diǎn)板發(fā)生平面外屈曲，避免支撐的破壞，如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1 中心支撐節(jié)點(diǎn)</p><p>　　Fig 2.1 Concentrical brace joint</p><p>　　超過(guò)12層的高層鋼結(jié)構(gòu)，當(dāng)支撐桿件采用軋制H型鋼時(shí)，支撐兩端與框架連接宜

76、采用剛接。支撐翼緣與框架梁柱的連接采用全熔透坡口焊縫連接，支撐端部截面宜放大或做成圓弧，應(yīng)分別在支撐翼緣對(duì)應(yīng)的梁柱構(gòu)件上設(shè)置加勁肋，以承受支撐軸向力對(duì)梁和柱的豎向和水平分力，如圖2.2所示。</p><p>　　（a） 支撐強(qiáng)軸在平面內(nèi) （b） 支撐弱軸在平面內(nèi)</p><p>　　圖2.2 中心支撐節(jié)點(diǎn)</p><p>　　Fig

77、 2.2 Concentrical brace joint</p><p>　　抗震設(shè)計(jì)時(shí)，常將H型鋼支撐的強(qiáng)軸放在框架平面內(nèi)方向（圖2.2-a），使支撐端部節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造更為剛強(qiáng)，其平面外的計(jì)算長(zhǎng)度可取軸線長(zhǎng)度的0.7倍。當(dāng)支撐弱軸位于框架平面內(nèi)方向時(shí)（圖2.2-b），其平面外計(jì)算長(zhǎng)度可取軸線長(zhǎng)度的0.9倍。</p><p>　　人字形或V形支撐在大震下受壓屈曲后，其承載力下降，導(dǎo)致橫梁在支

78、撐連接處出現(xiàn)不平衡集中力，可能會(huì)引起橫梁破壞，應(yīng)在橫梁與支撐相交處設(shè)置側(cè)向支撐。該支承點(diǎn)與梁端支承點(diǎn)的側(cè)向長(zhǎng)細(xì)比以及支承力應(yīng)符合關(guān)于塑性設(shè)計(jì)的規(guī)定。</p><p>　　2.2 中心支撐節(jié)點(diǎn)的連接形式</p><p>　　中心支撐根據(jù)支撐斜桿形式不同，分為十字交叉支撐、單斜桿支撐、人字形支撐、K形支撐、V形支撐等多種支撐形式。對(duì)于不同的支撐布置形式，支撐與框架的連接節(jié)點(diǎn)主要包括支撐與梁柱的

79、連接節(jié)點(diǎn)、支撐與梁的連接節(jié)點(diǎn)、支撐與支撐的連接節(jié)點(diǎn)。根據(jù)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，對(duì)于不超過(guò)12層的鋼結(jié)構(gòu)，支撐常采用角鋼或組合角鋼，支撐與框架的連接可以采用節(jié)點(diǎn)板式連接形式，連接形式構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工方便。超過(guò)12層的鋼結(jié)構(gòu)，支撐常采用H型鋼，支撐兩端應(yīng)構(gòu)造剛接。高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程給出了支托式連接支撐節(jié)點(diǎn)形式。</p><p>　　2.2.1節(jié)點(diǎn)板式連接節(jié)點(diǎn)</p><p>　　在多層鋼結(jié)

80、構(gòu)中，中心支撐常采用角鋼或組合角鋼等輕型鋼構(gòu)件，中心支撐與梁柱節(jié)點(diǎn)采用節(jié)點(diǎn)板連接[56]時(shí)，節(jié)點(diǎn)板的有效寬度應(yīng)符號(hào)連接件每側(cè)有不小于30°夾角的規(guī)定，沿支撐桿件軸線方向，支撐端部至節(jié)點(diǎn)板最近嵌固點(diǎn)的距離不應(yīng)小于2倍節(jié)點(diǎn)板厚度，以保證在大震下，節(jié)點(diǎn)板發(fā)生平面外屈曲，避免支撐的破壞，如圖2.3所示。</p><p>　　圖2.3 節(jié)點(diǎn)板式連接節(jié)點(diǎn)</p><p>　　Fig 2.3

81、Tube-gusset plate connecting joint</p><p>　　支撐節(jié)點(diǎn)板連接形式是國(guó)外提出的一種支撐連接形式，這種連接形式構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工安裝方便，細(xì)部構(gòu)造使這種連接形式有更好的耗能能力。當(dāng)大震作用時(shí)，節(jié)點(diǎn)板發(fā)生平面外屈曲吸收地震能量，具有良好的延性，避免支撐破壞。支撐節(jié)點(diǎn)板連接形式主要應(yīng)用于工業(yè)建筑和一些多層民用建筑。</p><p>　　2.2.2支托式連接節(jié)

82、點(diǎn)</p><p>　　在高層鋼結(jié)構(gòu)建筑中，支撐一般采用Ｈ型鋼制作，構(gòu)造上兩端應(yīng)剛接，帶支撐的梁柱節(jié)點(diǎn)通常采用柱外帶懸臂梁段的形式，使梁柱接頭與支撐節(jié)點(diǎn)錯(cuò)開(kāi)，支撐采用支撐連接件連接到梁柱節(jié)點(diǎn)上，支撐連接件在與柱梁連接處，應(yīng)分別設(shè)置加勁肋，支撐與梁柱的這種連接形式稱為支托式連接[57]如圖2.4所示。支撐軸線與梁柱的軸線交于一點(diǎn)，由于構(gòu)造條件限制產(chǎn)生偏心，當(dāng)偏心距離小于支撐桿件寬度時(shí)，可以忽略偏心產(chǎn)生的影響，如果偏

83、心大于支撐桿件寬度時(shí)，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)計(jì)入偏心產(chǎn)生的附加彎矩。</p><p>　?。╝） 支撐強(qiáng)軸在平面內(nèi) （b） 支撐弱軸在平面內(nèi)</p><p>　　圖2.4 支托式連接節(jié)點(diǎn)</p><p>　　Fig 2.4 Bracket connecting joint</p><p>　　2.3 中心支撐節(jié)點(diǎn)的內(nèi)力計(jì)算方法&l

84、t;/p><p>　　2.3.1節(jié)點(diǎn)板式連接節(jié)點(diǎn)的計(jì)算方法</p><p>　　節(jié)點(diǎn)板連接節(jié)點(diǎn)的計(jì)算，目前國(guó)內(nèi)常采用的計(jì)算方法有：有效寬度法[58]、均力法[59,60]、簡(jiǎn)單正交分解法[60]、等代梁法[60]等。</p><p>　　有效寬度法（如圖2.5所示）</p><p>　　斜桿軸力N將通過(guò)連接件傳遞到節(jié)點(diǎn)板上，在節(jié)點(diǎn)板內(nèi)按照某一應(yīng)力

85、擴(kuò)散角度傳至連接件端部與斜桿軸力N相垂直的一定寬度范圍內(nèi)，則該一定寬度即稱為有效寬度be。</p><p>　　圖2.5 有效寬度概念</p><p>　　Fig 2.5 the concept of effective width</p><p><b>　　（2.4）</b></p><p><b>　　上

86、式中：</b></p><p>　　—支撐的軸心力設(shè)計(jì)值；</p><p>　　—板件的有效寬度，應(yīng)力擴(kuò)散角取30°，當(dāng)采用單肢角鋼與節(jié)點(diǎn)板用螺栓連接時(shí)，應(yīng)取凈寬度；</p><p><b>　　—節(jié)點(diǎn)板的厚度。</b></p><p>　　均力法（如圖2.6所示）</p><p

87、><b>　　基本假設(shè)：</b></p><p>　　1)支撐的重心線與梁柱重心線三者匯交于一點(diǎn);</p><p>　　2)節(jié)點(diǎn)板與梁柱的連接處沒(méi)有彎矩存在，保證各連接面處無(wú)彎矩的約束存在;</p><p>　　3)節(jié)點(diǎn)板與梁柱的連接處被設(shè)計(jì)成僅承受剪力和軸力。</p><p><b>　　（2.5）&l

88、t;/b></p><p><b>　　，，，（2.6）</b></p><p><b>　?。?.7）</b></p><p><b>　　上式中：</b></p><p><b>　　圖2.6 均力法</b></p><p&

89、gt;　　Fig 2.6 Uniform force method</p><p>　　簡(jiǎn)化的正交分解法（如圖2.7所示）</p><p>　　假定忽略節(jié)點(diǎn)板連接處偏心產(chǎn)生的附加彎矩，忽略支撐軸力對(duì)梁的豎向分力和對(duì)柱的水平分力。</p><p><b>　?。?.8）</b></p><p><b>　?。?.

90、9）</b></p><p><b>　　上式中：</b></p><p>　　圖2.7 簡(jiǎn)單正交分解法</p><p>　　Fig 2.7 Proper orthogonal decomposition method</p><p>　?。?）等代梁法（如圖2.8所示）</p><p&g

91、t;　　由于節(jié)點(diǎn)板缺少△部分，可以假設(shè)節(jié)點(diǎn)板為一根梁，兩端分別連接在梁和柱上，由于節(jié)點(diǎn)板和梁柱的連接一般為焊接或高強(qiáng)度螺栓連接，可以考慮其連接承受附加彎矩的作用。因此，假設(shè)梁端為嵌固，支撐內(nèi)力作為該梁的跨中荷載，可以計(jì)算出節(jié)點(diǎn)板與梁、柱連接處的內(nèi)力。</p><p><b>　　圖2.8 等代梁法</b></p><p>　　Fig 2.8 Displacement

92、beam method</p><p>　　根據(jù)實(shí)例進(jìn)行計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，采用常用的簡(jiǎn)化計(jì)算方法所得的計(jì)算結(jié)果往往偏大，雖然在一定的程度上，這種計(jì)算方法是偏于安全，但是，造成一定的浪費(fèi)，不太符合節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的基本原則。當(dāng)支撐內(nèi)力較大時(shí)，采用均力法計(jì)算更接近實(shí)際情況，這種計(jì)算方法更經(jīng)濟(jì)合理。由于支撐節(jié)點(diǎn)板與梁柱連接處的受力比較復(fù)雜，很難確定一種完全精確的計(jì)算方法，可通過(guò)大量的數(shù)值分析及試驗(yàn)分析，但是，這樣又比較浪費(fèi)，這幾種

93、計(jì)算方法都是近似計(jì)算方法。</p><p>　　2.3.2支托式連接節(jié)點(diǎn)的計(jì)算方法</p><p>　　目前國(guó)內(nèi)采用的設(shè)計(jì)構(gòu)造要求：在抗震設(shè)防的結(jié)構(gòu)中，超過(guò)12層時(shí)，支撐宜采用H型鋼制作，兩端與其框架可采用剛接構(gòu)造，梁柱與支撐連接處應(yīng)設(shè)置加勁肋，8、9度采用焊接工字形截面時(shí)，其翼緣與腹板的連接宜采用全熔透連接焊縫，支撐與框架連接處，在支撐桿端宜坐車圓弧，圓弧半徑不得小于200mm[61]。

94、</p><p>　　在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，常采用簡(jiǎn)化計(jì)算的方法[60]，支撐軸線與梁柱的軸線匯交于一點(diǎn)，忽略偏心產(chǎn)生的附加彎矩對(duì)此節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的影響，在支撐連接件與梁柱連接處，簡(jiǎn)化計(jì)算將支撐內(nèi)力分解為水平分力和豎向分力，分別作用于梁柱上，如圖2.9所示。 </p><p>　　圖2.9 簡(jiǎn)單正交分解法</p><p>　　Fig 2.9 Proper orthogonal

95、decomposition method</p><p>　　2.4 有限元分析介紹</p><p>　　2.4.1有限元分析軟件概述</p><p>　　隨著科技的高速發(fā)展，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)需要設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)時(shí)或隨后的分析稱為計(jì)算機(jī)輔助工程即CAE（Computer Aided Engineering）。該技術(shù)與工程分析相結(jié)合形成的新技術(shù)，隨

96、著有限元理論的應(yīng)用和計(jì)算機(jī)的發(fā)展，工程師利用該技術(shù)和軟件對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行分析，得到良好的效果。隨著CAE技術(shù)的發(fā)展和大型通用有限元分析軟件的興起，使得該技術(shù)廣泛應(yīng)用于許多實(shí)際工程。</p><p>　　ANSYS是由美國(guó)著名理學(xué)專家、美國(guó)Jone Swanson博士團(tuán)隊(duì)于二十世紀(jì)70年代開(kāi)發(fā)的大型通用有限元分析軟件，廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)、流體、聲場(chǎng)、電磁場(chǎng)和熱場(chǎng)分析和科學(xué)研究[62]。由于試驗(yàn)數(shù)量有限和費(fèi)用昂貴，通過(guò)AN

97、SYS軟件與有限元法及數(shù)值分析法結(jié)合進(jìn)行分析得到結(jié)果與實(shí)際結(jié)果比較接近，因此，用這種方法不僅降低了成本，而且縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間。ANSYS軟件具有強(qiáng)大的建模、求解、非線性分析和后處理等能力，功能十分強(qiáng)大，使用方便，能較好地對(duì)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)進(jìn)行仿真分析，既經(jīng)濟(jì)又節(jié)省時(shí)間。</p><p>　　2.4.2材料的三個(gè)重要法則</p><p>　　材料的塑性理論描述材料彈塑性發(fā)展階段的數(shù)學(xué)關(guān)系，其中三個(gè)重要

98、法則[63]如下：</p><p><b>　　1．屈服準(zhǔn)則</b></p><p>　　屈服準(zhǔn)則是在外荷載作用下，材料開(kāi)始屈服時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)。Von Mises屈服準(zhǔn)則是Von Mises提出的一種等效應(yīng)力，考慮了中間主應(yīng)力對(duì)屈服強(qiáng)度的影響，用于各項(xiàng)同性材料。當(dāng)?shù)刃?yīng)力超過(guò)材料的屈服應(yīng)力時(shí)，材料發(fā)生塑性變形，是一種判斷材料塑性發(fā)展的準(zhǔn)則。對(duì)于鋼材而言，采用Von Mi

99、ses屈服準(zhǔn)則更接近實(shí)際結(jié)果。</p><p><b>　　（2.10）</b></p><p><b>　　上式中：；</b></p><p><b>　　或</b></p><p><b>　　式中</b></p><p>　　

100、本文采用Von Mises屈服準(zhǔn)則進(jìn)行有限元分析。</p><p><b>　　2．流動(dòng)法則</b></p><p>　　對(duì)于已經(jīng)屈服的單元再進(jìn)一步加載，流動(dòng)法則定義塑性應(yīng)變?cè)隽康姆至亢蛻?yīng)力分量以及應(yīng)力分量之間的關(guān)系。流動(dòng)法則包括關(guān)聯(lián)型流動(dòng)法則和非關(guān)聯(lián)型流動(dòng)法則，流動(dòng)方程是塑性應(yīng)變?cè)诖怪庇谇娣较虬l(fā)展的屈服準(zhǔn)則中推導(dǎo)出的，當(dāng)塑性流動(dòng)方向與屈服面的外法線方向相同時(shí)稱為

101、關(guān)聯(lián)型流動(dòng)準(zhǔn)則，反之當(dāng)塑性流動(dòng)方向與屈服面外法線方向不同時(shí)則為非關(guān)聯(lián)型流動(dòng)準(zhǔn)則。</p><p>　　本文采用關(guān)聯(lián)型流動(dòng)法則進(jìn)行有限元分析。</p><p><b>　　3．強(qiáng)化法則</b></p><p>　　在單向應(yīng)力狀態(tài)下，鋼材的應(yīng)力應(yīng)變曲線包括彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段和破壞階段等，在強(qiáng)化階段卸載后再次加載，鋼材的屈服應(yīng)力會(huì)提高。在復(fù)

102、雜應(yīng)力狀態(tài)下，就需要強(qiáng)化準(zhǔn)則定義材料進(jìn)入塑性變形后的后繼屈服面的變化（包括大小、中心和形狀），即在隨后的加載或卸載時(shí)，材料何時(shí)再次進(jìn)入屈服狀態(tài)。</p><p>　　對(duì)于理想的彈塑性材料，因無(wú)應(yīng)力強(qiáng)化效應(yīng)，其后繼屈服面和初始屈服面相同。</p><p>　　對(duì)于硬化材料，通常有等向強(qiáng)化、隨動(dòng)強(qiáng)化和混合強(qiáng)化準(zhǔn)則。等向強(qiáng)化適用于大應(yīng)變、單調(diào)加載情況，不適用于循環(huán)加載的情況，分為雙線性等向強(qiáng)化、

103、多線性等向強(qiáng)化及非線性等向強(qiáng)化；隨動(dòng)強(qiáng)化適用于小應(yīng)變、循環(huán)加載的情況，同樣分為雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化、多線性隨動(dòng)強(qiáng)化及非線性隨動(dòng)強(qiáng)化；混合強(qiáng)化同時(shí)考慮了等向強(qiáng)化和隨動(dòng)強(qiáng)化，適用于大應(yīng)變和循環(huán)加載的情況。本文采用雙線性等向強(qiáng)化法則進(jìn)行有限元分析。</p><p>　　2.4.3非線性方程組的求解</p><p>　　ANSYS進(jìn)行非線性分析提供如下幾種求解方法[64]：</p><

104、;p>　?。?）增量法是將載荷分成一系列的載荷增量，如圖2.10（a）所示。依靠純粹的增量進(jìn)行近似求解，將會(huì)隨著每一次的增量，造成誤差的積累，因此，誤差較大。</p><p>　?。?）牛頓－拉普森（NR）方法，這種方法每進(jìn)行一次平衡迭代就修改一次剛度矩陣，如圖2.10（b）所示。如果自適應(yīng)下降關(guān)閉，平衡迭代采用切線剛度矩陣。如果自適應(yīng)下降打開(kāi)，只要迭代殘項(xiàng)減少且無(wú)負(fù)主元出現(xiàn)，平衡迭代僅采用切線剛度矩陣；一

105、旦出現(xiàn)負(fù)主元或不收斂，程序?qū)⒉捎们芯€剛度和正割剛度矩陣加權(quán)組合重新求解，再次達(dá)到收斂后，又采用切線剛度矩陣求解。</p><p>　?。?）改進(jìn)的NR法，在每個(gè)子步都修正切線剛度矩陣，平衡迭代中不修改，如圖2.10（c）所示。計(jì)算速度比較快，可能會(huì)收斂失敗，該法不適用于大變形分析。</p><p>　　（4）弧長(zhǎng)法，即是在求解過(guò)程中，同時(shí)控制位移增量和荷載增量水平，它使迭代沿一段弧收斂。由

106、于弧長(zhǎng)法通過(guò)在球面弧獲得平衡狀態(tài)，通常較難在某個(gè)固定的荷載處獲得一個(gè)解，但通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的NR方法確定此解可能更方便。但在后處理中使用荷載—位移曲線比較容易評(píng)估結(jié)果。</p><p>　?。╝）增量法 （b）N-R法 （c）改進(jìn)的N-R法</p><p>　　圖2.10 求解方法</p><p>　　Fig2.10