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梁/柱刚性连接的研究

  • 刚性抵抗连接的几何和材料非线性分析

  • 接触构件的滑移面建模

  • 具有与实验测试结果非常好的相关性


Jon K. Lindsey正使用LUSAS Civil & Structural进行他的博士学位研究——刚性连接装置。该研究的目的是为结构设计者给出一些设计忠告,包括进一步推进材料的极限和连接配置,以及增加刚性抵抗钢框架的经济性。通过使用具有滑移面接触的非线性实体模拟,可以得到LUSAS的预测结果和堪萨斯大学实验测试结果有非常好的相关。


概述

现在正在研究一种特殊类型的刚性抵抗连接(扩展终板的刚性连接)的几个不同配置。这些连接通常包括宽翼缘钢的形状大小,并拟用于在中度到高度地震区域内的多层结构。无论是外部的(一面)还是内部的(双面,十字形)连接,都进行评估不同程度的局部柱钢筋,来研究刚性抵抗钢构件中弱柱/强梁行为。


连接样本包括一个W21梁构件(具有一个1"厚的焊接底板)和一个W14的柱构件,该柱构件被1/2"的柱刚构件(连续性板)所加强。梁和柱部件通过1.25"直径的螺栓连接在一起。样本加载位移控制的荷载历史,以检查上述两个构件的应力和屈服。连接的钢属性可以从样品实验中获得,而且可用于定义在LUSAS有限元模型中的非线性材料属性。


Exterior connection with half-depth column web stiffeners at start of test

Exterior connection with half-depth column web stiffeners at end of test


建模

因为LUSAS提供的几何非线性和材料非线性能力很适合这类工作,因此这个研究计划选择LUSAS。六面体8节点实体等参单元被用来模拟底板螺栓。四边形4节点厚壳单元代表远离影响区域的钢构件。这种建模方法允许三维单元的高度集中被用于需要的地方,而且正确地建模每个构件的实际长度,考虑到实际测试系统末端约束的复制以及施加位移的应用。总之,大约8000个单元建模每个梁和柱的连接。建模的目标是要与实验结果相关,而且由于研究的扩展底板刚性连接的性质,柱和梁构件可能单独的变形以获得连接界面的真实行为,这也是必须 。改正建模柱翼缘和接触底板,是这类分析的关键。为了精确地建模每个连接以及模仿施加的实验荷载,每个LUSAS模型合并了滑移面,来代表接触构件。LUSAS滑移线自动地考虑了接触构件间的任何摩擦接触,并且相对容易地建模和分析关于接触和摩擦的复杂问题。


荷载荷支撑

加载采用位移控制的荷载曲线——一种加载每个连接模型的方法,通过对梁构件的末端施加一个预先定义的逐渐增加的位移。这些位移参数是基于预先定义的层间漂流物增量的。单循环的荷载曲线是成比例的,如此以至于在该循环位移的峰值处,模型将经历**的屈服。模型的支撑条件复制了实验测试的装置。


结果

从三维的实体、材料以及几何非线性荷载曲线分析可以看出,**次屈服循环(显示出**的屈服),正如在实验测试中观察和记录一样,在LUSAS分析中精确地被重现了。


HNTB的结构工程师Jon K. Lindsey说:“LUSAS分析与实验结果相比非常的接近,而且比我的期望要好的多。这主要是由于通过材料测试获得了精确的材料数据,使用这些数据来定义LUSAS中度弹性/塑性材料模型,而且也由于已经精确地定义了所有模型的几何尺寸——嵌条焊缝、焊接通道洞口、宽翼缘部件的嵌条以及对夹筋等等。”他继续说到:“LUSAS滑移线工具对这个分析也特别的有用,它能够对于要求的不同连接类型,快速地修改LUSAS模型。使用LUSAS可以根据结果的某些方面的图形近似地画出其它方面的图形,建立高质量的图表、等值线图以及动画,获得洞察结构行为的有用的信息。”


应力时程被绘制成图表,显示应力集中区域的形成,而且屈服的面积可以轻易被看见。荷载与总位移和时程数据被绘图,来记录与实验结果的相关性。


Stresses in exterior connection with full-depth column web stiffeners


Enlarged view of stresses in exterior connectionSide view showing end-plate separation


建议和今后的工作

该研究的目的是为结构设计者给出一些设计忠告,包括进一步推进材料的极限和连接配置,以及增加刚性抵抗钢框架的经济性。LUSAS也将用于更多的关于这方面的研究。


LUSAS分析与实验结果相比非常的接近,而且比我的期望要好的多。使用LUSAS可以根据结果的某些方面的图形近似地画出其它方面的图形,建立高质量的图表、等值线图以及动画,获得洞察结构行为的有用的信息。”

Jon K. Lindsey, HNTB (Kansas City)

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