新型H形梁与H形柱弱轴栓焊混合连接的受力性能分析复习课程.docx

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Research on Stress Performance of New Bolting and Welding Mixed Connection of H--Shaped Steel Bearn and Column in侈台ak Axis

A Dissertation Submitted for the Degree of Master

Candidate：li Tao

Supervisor：Associate Prof．Lu Linfeng

Chang’an University,Xi’an，China

、"‘

论文独创性声明

本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。
本声明的法律责任由本人承担。

论文作者签名：亦 必11年6月门日
岁

论文知识产权权属声明

本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。
、 (保密的论文在解密后应遵守此规定)

论文作者签名： 李辩 如f||年6月J 7日
导师签名： 》悻6艮I为

摘要

目前国内外对梁柱连接的研究主要集中在梁垂直于H型钢柱翼缘的连接即梁柱强 轴连接上。对梁垂直于H型钢柱腹板的连接即梁柱弱轴连接仅有少量研究。梁柱腹板连 接非常普遍，构造和受力性能与翼缘连接不同，尤其是当梁翼缘宽度小于柱截面高度时， 柱水平加劲肋需要按一定的坡比制作成梯形板件并伸出柱外，加工不便，而且在房屋内 部装修时为遮盖梯形板件需要加大柱子的装修截面，无形中占用了房屋的有效使用面 积。为了克服现有钢结构H形梁与H形柱弱轴的连接存在的弊端，本文发明了一种新 型钢结构H形梁与H形柱弱轴连接节点，并对该新型节点受力性能进行研究。
本文的主要研究内容和相应的研究成果概况如下

第一，进行了传统梁柱弱轴连接节点和新型梁柱弱轴连接节点的试验研究，对两种 梁柱弱轴连接进行低周循环加载试验。通过试验结果研究了节点弱轴连接的滞回性能、 延性性能、耗能性能及刚度退化等抗震指标，同时对传统梁柱弱轴连接节点与新型梁柱 弱轴连接节点的承载能力、延性性能、耗能性能等进行对比分析，考察梁柱弱轴连接节 点在循环荷载作用下的相关影响。
第二，采用国际上广泛应用的商业有限元程序ANSYSlO．O对梁柱弱轴连接在循环 荷载下的受力能进行模拟和深入系统地分析研究。并用试验结果验证了确立的有限元方 法能够比较精确地模拟梁柱弱轴连接在循环荷载作用下的受力性能。
第三，考虑对新型梁柱弱轴连接节点影响较大的柱轴压比、蒙皮板高度、蒙皮板厚 度、加劲肋厚度等参数的变化，设计了9个试件，并对9个新型梁柱弱轴连接节点的全 部试件在循环荷载作用下的滞回性能进行了非线性有限元模拟，提出了更适合于施工和 更易满足建筑功能要求的蒙皮板高度、蒙皮板厚度、加劲肋厚度的新型梁柱弱轴连接节 点。
本文研究的内容系统、广泛，结论及建议对工程设计和施工具有重要的参考价值，

同时也为进一步研究这种新型梁柱弱轴连接节点打下了良好的基础。

关键词：钢框架，新型梁柱弱轴连接，非线性有限元，滞回性能，承载力，参数分析

Abstract

Beam-to-column web connections are generally as flange connections，the construction and preformance are different from flange connections，especially when beam flange width is shorter than column width，column horizontal reinforcing ribs needs to be manufactured into quadrilateral plate，using a certain slope scale and extend out of the column，which make the
process more difficulty,and it needs to increase the column width in order to cover the quadrilateral plates when decorating the house，SO it decrease the effective using area of the house invisibly．For solving the disadvantage of beam·-to··column strongaxis connections of
H-shaped steel currently,a new-style of beam—to—column minor axis connections of H-shaped

steel is invented and its mechanical behavior have being researched in this article． The major research content and the achievement relevant in this article include：
Firstly,we have carried out the research of traditional beam··to··column minor axis welded·-bolted connections and the new-style beam·-to-column minor axis welded·-bolted connections，doing the low-reversed cyclic loading test of these two connection styles at the same time．To sum up some seismic—indexs of the minor axis connections，such鹤：hysteretic
behavior、ductility performance、dissipation capacity and rigidity degeneration．Besides，we also make the relative analysis of the carrying capacity、ductility performance、dissipation capacity of the traditional beam··to·-column minor axis connections and the new-style
beam-to．column minor axis connections．
Secondly,using the commercial finite element program ANSYS I O．0 which is widely used intemationly currently to imitate the mechanical behavior of beam··to··column minor axis connections under the cyclic load．The outcome prove that the Finite Element Method call
imitate the mechanical behavior of beam·-to··column minor axis connections under the cyclic load accurately．
Thirdly,considering some parameter'’S difference such as ratio of axial compression

stress to strength of column，skin panel height，skin panel thickness，reinforcing ribs thickness，which all have great influence on the new-style beam-to-column minor axis
connections，we design nine check bars，and carry out the study on response under monotonous

load and hysteretic behavior under cyclical load of these nine new-style beam-to-column minor axis connections，putting forward new-style beam-to-column minor axis conne甜om，whose skin panel height、skin panel thickness and reinforcing fibs thickness are more propitious to building function and eonstruction's needs．
This article covered a wi(1e range of content,and the conclusions and suggestions have a great referenced value for the engineering design and construction，meanwhile，it also provide a favourable base for the further research on this new-style beam--to·-column minor axis connection．

KEY WORDS：steel flame，new-style beam-to-column minor axis connection，non-linear finite element method，hysteretic behavior，bearing capacity，parametric analysis

目录

第一章绪论 。1

1．1课题背景、研究目的及意义 。1
1．2新型钢结构梁柱节点的设计理念 3
1．2．1新型钢结构梁柱节点的设计思想 3
1．3国内外研究现状 ．4
1．3．1实验研究 4
1．3．2有限元分析研究 ．．6
1．4梁柱弱轴连接节点研究中存在的问题 。7
1．5本文主要研究内容 8

第二章梁柱弱轴节点的试验研究 ．10

2．1引言 。1 O
2．2试验概况 ．1 0
2．2．1试验目的 。lO
2．2．2梁柱连接的试件设计 ．10
2．2．3试验加载装置 ．．13
2．2．4试验测试内容及测试仪器 ．．14
2．2．5试验加载制度 。l 7
2．2．6试验现象 。l 8
2．3试验结果及结果分析 ．22
2．3．1 P一△滞回曲线 。22
2．3．2骨架曲线 24
2．3．3延性系数 25
2．3．4耗能系数 ．．27
2．3．5刚度退化 28
2．3．6节点的M—勺曲线及破坏特征 29
2．3．7试验所得体会 。3 l
2．4设计建议 3 l
2．5本章小结 32

第三章梁柱弱轴节点的有限元分析 34

3．1塑性力学基本法则 ．．34
3．1．1屈服准则 ．34
3．1．2流动准则 35
3．1．3强化准则 ．35
3．2计算程序的选用及有限元模型的建立 ．36

3．2．1计算程序的选用 ．36
3．2．2 ANSYS功能简介 36
3．2．3单元选取与模型的建立 37
3．3 ANSYS分析中的关键问题 39
3．3．1材料特性定义 ．39
3．3．2接触分析 。39
3．3．3螺栓预拉力的模拟 ．41
3．3．4边界约束及加载制度的确定 4l
3．3．5求选项设置 ．．43
3．4有限元计算结果与分析 ．．43
3．4．1 JDl．2非线性有限元模拟与试验的比较 43
3．4．2．JD2．2非线性有限元模拟与试验的比较 ．46
3．4．3节点的内力分布及破坏机理 ．．48
3．5小结 54

第四章新型梁柱弱轴连接形式参数分析 55

4．1轴压比对节点受力性能的影响 55
4．2蒙皮板高度对节点受力性能的影响 59
4．2．1滞回性能分析 ．60
4．2．2应力、应变分析 ．．6 l
4．3蒙皮板厚度对节点受力性能的影响 ．62
4．3．1滞回性能分析 。62
4．3．2应力、应变分析 ．63
4．4加劲肋厚度对节点受力性能的影响 ．65
4．4．1滞回性能分析 ．65
4．4．2应力、应变分析 66
4．5设计建议 ．68
4．6本章小结 。68

第五章结论与展望 ．70

5．1结论及设计、施工建议 70
5．1．1结论 ．70
5．1．2设计、施工建议 72
5．2展望 。73

参考文献 74

攻读硕士学位期间获得专利情况 77

致访f 78

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第一章绪论 1．1课题背景、研究目的及意义
钢结构强度高，重量轻，塑性和韧性好，具有优越的抗震性能；其制造简便，施工 周期短，结构的可靠性高。钢材的材质均匀，强度及施工质量易于保证【11。钢材的延性 和塑性较好，可使结构具有很好的变形能力，即使在很大的变形下仍不至于倒塌，从而 可保证结构的抗震安全性。因其综合经济指标好回收率高，随着我国经济飞速发展和钢 结构设计加工技术的进步，建筑钢材在质量和数量上都有很大的提高，制造成本也不断 降低，钢结构在我国得到了来越广泛的应用。
钢结构工程与混凝土结构相比，具有以下特点：(1)钢结构可以工厂预制，现场吊 装，干式施工无污染，产生的噪音、粉尘少；(2)施工用水少，可以节约用水；(3)由 于强度大，截面小，自重较轻，基础施工取土量少，可以保护土地资源；(4)大量减少 混凝土、砖、瓦、砂和灰的用量，减少了开山挖石，可有效保护环境；(5)钢结构拆除 时，大部分材料可以再生或降解，产生固体垃圾少，废钢贬值较少；(6)结构设计借助 于计算机和专业化结构分析软件，使得设计周期大大缩短，可以工厂预制、现场安装， 工业化水高，实现了构件的工厂化和施工的机械化生产；(7)构件由工厂的生产线完成 产品制作，受季节和天气影响小，施工周期短；(8)地基及基础的处置非常简单；(9) 由于钢材强度高，可以大开间柱网布置，户内空间可多方案分割，建筑平面灵活布置； (10)由于钢材的截面尺寸小，可使有效使用面积增加4％～6％。从目前来看，钢结构 建筑是对城市环境影响最小的一种结构之一，在西方已被广泛采用，所以被有关称为绿
色建筑。

20世纪80年代初，国内的改革开放政策以来，伴随国家经济发展的主旋律，国内 的钢结构建筑也在中国建筑领域独一无二，得到了突飞猛进的发展。一方面已经建成了 大量的钢结构建筑，另一方面也成长了一大批较有规模的钢结构建筑企业，并且在技术 领域方面也逐步形成了具有中国特色的轻钢建筑体系。二十多年来，国内轻钢建筑体系 从无到有，从简单到复杂，从引进国外技术到消化吸收、并且开发自己的轻钢结构建筑 体系，已经积累了大量的经验，取得了相当可观的卓越成绩。
我国作为世界钢产量第一的国家，建筑钢结构用材仅占全国钢材总产量的2％，而 目前在美国、日本等工业发达国家，建筑用钢占钢材消耗总量的50％以上，钢结构用钢

第一章绪论

量占到钢产量的30％以上，钢结构面积占到总建筑面积约40％以上，与发达国家相比 我国还有较大的差距。“十一五"规划中提出，2010年我国建筑钢结构用钢量所占全国 钢材总产量的比例要翻一番。近几年强劲的市场需求，拉动了我国钢铁工业和钢结构建 筑行业快速增长。我国钢产量2008年，产量达到了5亿吨，占全球粗钢产量的38％； 2009年，我国粗钢产量达5．68亿吨，占全球粗钢产量的46．6％，超过了排在我国之后 的20个国家的粗钢产量之和，并建成了一大批钢结构建筑。
作为钢结构中最常用的结构形式之一的钢框架，长期以来，人们普遍认为其具有良 好的抗震性能，从而被广泛的应用到了地震区。然而，发生在1989年美国Loma Pfieta 地震和1994年的美国Northridge地震打破了这种理念。由震害调查可以看出，尽管没
有钢框架结构在地震中倒塌破坏的事例，但是大量的脆性裂缝却在梁柱的连接节点处被 发现了【2-3】。随后发生在1995年的Hyogoken---Nanbu大地震引起工程界的普遍关注， 大量的脆断现象出现在了一直被大家认为具有良好抗震性能的钢框架结构结构中，梁端 没有形成塑性铰，发生脆性破坏的形式各种各样，其中最为普遍的是发生在梁下翼缘与 柱冀缘焊接处或附近部位，有些建筑由于损坏严重以至于震后无法修复【4】。这两次地震 反映了钢结构框架梁柱连接的抗震性能有待进一步深入研究，许多专家学者开始对梁柱 连接性能进行大量的试验研究和理论分析【5’7l。这些研究主要集中在传统梁柱连接节点
的承载能力、破坏机理、极限转角，新型延性节点的承载能力、延性性能、耗能性能等， 以及梁柱连接节点与钢框架的相互影响等方面。
目前国内外对梁柱连接的研究主要集中在梁柱强轴 连接上。对梁柱弱轴连接仅有少量研究，特别是梁柱弱 轴连接在循环荷载作用下的力学性能研究，只有几个实 验，几乎还是空白【引。钢框架体系一般纵横两个方向均 为框架，梁柱弱轴连接实际上和梁柱强轴连接一样普遍 如图1．1所示，工程界迫切需要对梁柱弱轴连接进行研 究。梁柱弱轴连接的分析、设计和安装比强轴连接更困 难，不仅因为连接理论上的最大强度和在梁上或柱上形 图1．1钢框架节点 成塑性铰一致，而且对弱轴连接还存在限制最大强度的其它因素。如果弱轴连接柱翼缘 比梁翼缘宽很多时，在梁或柱上形成塑性铰以前，柱腹板上形成了一个屈服线型的机构。 在根据塑性理论确定的塑性极限荷载达到之前，柱翼缘和腹板还可能发生局部屈曲或连 接材料的破坏。此外，柱翼缘对空间的限制作用，使安装困难，连接构造设计复杂，所

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以研究钢结构框架梁柱弱轴连接的受力性能和破坏机理，具有重要的理论意义和重大的 工程应用价值。

1．2新型钢结构梁柱节点的设计理念

新型钢结构梁柱节点根据连接形式的不同，分为全焊连接、栓焊混合连接两种。本 课题在对传统梁柱弱轴栓焊混合连接节点即图1．2 Ca)研究的基础上，对新型梁柱弱轴 栓焊混合连接节点即图1．2(b)所示进行试验和有限元数值模拟研究，旨在探求该新型梁 柱弱轴节点的应力分布、破坏机理、破坏模式以及蒙皮板的受力情况，各种连接初始连 接刚度、滞回性能、屈服荷载、刚度退化、极限转角以及极限破坏荷载；各种连接的耗 能系数和延性系数；对新型节点，还要研究某些关键参数特别是蒙皮板的高度和厚度对 节点连接性能的影响，并为工程设计提供参考。

圈 I l 翱
Lr—-J

胁 ● _
归
(a) 传统梁柱弱轴连接 (b) 新型梁柱弱轴连接
图1．2 柱弱轴连接节点示意图

1．2．1新型钢结构梁柱节点的设计思想 目前建筑工程钢结构H形梁与H形柱强轴的连接，只需水平加劲肋即可，制作简
单，而H形梁与H形柱弱轴连接，都是采用在梁的对应位置焊接柱水平加劲肋和竖向

加劲板。尤其是当梁翼缘宽度小于柱截面高度时，柱水平加劲肋需要按一定的坡比制作 成梯形板件并伸出柱外，加工安装的难度大大增加，传统梁柱弱轴连接由于梁翼缘的宽 度往往比柱腹板高度小很多，梁与柱的连接必须靠连接板悬挑出去，这就加大了试件的

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第一章绪论

加工和安装的难度，并增加了现场的焊缝焊接的施工量，这使得施工质量无法保障。而 且传统H形梁与H形柱弱轴连接在房屋内部装修时为遮盖梯形板件需要加大柱子的装修截 面，无形中占用了房屋的有效使用面积。而如果采用一种简单的连接变化，使H形柱弱轴 连接采用与柱强轴的连接方式，则可以解决上述问题。为了
安大学卢林枫副教授等【9】发明了一种新型梁柱弱轴连接节 ∑ 庐尹
克服现有钢结构H形梁与H形柱弱轴连接存在的弊端，长

∑：!
／
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矛
点(如图1．3所示)目前在国内外工程中还没有应用。 ＼
、
该新型弱轴连接节点，是由H形柱(1)和钢板(2)、
+
；l●芒= 一 、 ]
加劲肋(8)及梁(3)组成，H形柱(1)和钢板(2)由 +
岁
一
焊缝(4)连接，H形柱(1)、加劲肋(8)由焊缝(9)连 ＼6
接，外蒙皮钢板(2)及H形梁(3)由焊缝(5)、焊缝(10)、 连接板(6)、高强度螺栓(7)连接。
本发明提供一种承载力高、经济、高效的钢结构H形
9
梁与H形柱弱轴的连接。该连接通过在H形柱外侧焊接蒙

皮钢板，将H形梁与H形柱弱轴的连接变成和H形梁与H

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形柱强轴的连接一样，在不降低节点承载力的条件下可以显

著节约材料，满足国家设计规范要求的“强节点、弱构件" 的抗震设计理念，可以避免因外包柱的装修减少房屋有效使
图1．3新型弱轴连接节点示意图
用面积的弊端。

1．3国内外研究现状

1．3．1实验研究

试验是研究结构构件及其连接性能的重要手段，国内外学者对梁柱连接进行了大量 的试验研究。
popov和pinkneyllol用拟静力法对24个1／3比例(W8X20)的试件进行了试验研究。 试验时用焊接和盖板连接两种方式将梁固定在短柱上，短柱两端固结。这次试验不但有 梁柱强轴连接，而且还有梁柱弱轴连接。由于短柱尺寸相对较大，所以忽略了柱的变形， 并保证塑性变形只发生在梁端。梁跨取为实际尺寸的1／2，为了模拟梁在水平力作用下
的受力情况，在梁端施加低周往复的荷载。为了防止梁端发生侧移和扭转，试验中粱的 两侧都加了侧向支撑。试验结果表明：节点能够承受多次循环荷载，节点的破坏经常发

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生在焊缝处及其附近。由于柱较短，两端固结，该试验仅能考虑梁的受力及连接焊缝的 性能，而无法考虑柱内力及柱对节点破坏的影响。
美国里海大学(Lehigh University)在20世纪70年代中期对梁柱腹板连接在静载下 的性能进行了全面的试验研究和理论分析，取得了不少研究成果【lI-”】。他们不仅进行了 模拟试验研究，而且还做了一系列足尺寸试验研究。试验研究了在梁弯矩作用下，梁柱 弱轴连接中，柱腹板厚度及柱腹板的强度对梁柱弱轴连接的影响。试验结果表明：对于 梁柱弱轴连接节点，由于梯形板上的剪力传给了柱翼缘，导致节点的刚度降低，即使在 正常使用荷载范围内，柱腹板也会发生明显的屈曲和平面外变形。承压型高强螺栓由于 在正常荷载范围内会发生滑移，所以采用承压型高强螺栓连接的节点不适合结构的塑性 设计。通过分析，提出了与柱翼缘焊接时采用较宽的翼缘板及在无梁的一侧设置加劲肋 来减小柱子腹板的平面外位移。
Tsai在伯克利分校对试件进行了循环加载试验【161，试件共19个，其中有14个梁柱 翼缘连接(强轴连接)，其他5个为梁柱腹板连接(弱轴连接)，弱轴连接都是栓焊混合- 连接即梁翼缘采用对接焊缝焊接，腹板采用摩擦型高强螺栓连接。梁柱弱轴栓焊混合连 接有较好的延性，焊接衬板与柱翼缘应用角焊缝补焊。
宋振森【17l对6个大尺寸T型强轴连接刚性节点进行了循环加载试验，试验中试件的 塑性转角都没有达到O．03rad，这没有满足刚性节点对塑性变形能力的要求。通过对试验 结果分析，发现对梁柱节点性能影响较大的主要因素有：梁翼缘塑性抵抗矩、全截面塑?、 性抵抗矩的比值、节点板强弱及对接焊缝的质量。
王秀丽【18。21】对强轴刚性连接、新型钢框架梁柱T型连接以及腹板开洞等削弱型连接 节点进行了试验研究和理论分析。研究结果表明，腹板开孔可以大大缓解节点处的高三 轴应力状态，改善了节点的延性，使节点的破坏模式从脆性破坏转变为理想的梁的局部 屈曲破坏。
郭兵等【矧对8个梁柱端板连接节点的滞回性能进行了循环加载试验，其中有7个试 件的柱端施加了轴力，4个端板设置了加劲肋。探讨了加劲肋、柱轴力大小等对节点性 能的影响。试验结果表明：端板连接具有良好的延性和耗能能力，节点的转角都超过了 0．03rad，最大转角达到了0．06rad：端板厚度和端板加劲肋是影响端板刚度的主要因素； 端板刚度是影响节点滞回性能、初始转动刚度和极限承载力的主要因素，其次是柱翼缘 和腹板厚度、柱轴压力、柱腹板加劲肋、螺栓直径等；端板较薄时，端板加劲肋可以延 缓梁翼缘与端板间焊缝的开裂，提高承载力。

第一章绪论

施刚，石永久等瞄】对端板半刚性连接的多层钢框架进行了循环加载试验，提出了钢 框架梁柱端板连接节点转角变形的明确定义和测量方法，研究了端板连接节点的承载 力、整体转动变形及其各部分变形、初始转动刚度等节点参数变化规律，分析了端板连 接类型、端板厚度、螺栓直径、节点域加劲肋、端板加劲肋等因素对节点性能的影响。 试验结果表明：端板厚度和端板外伸加劲肋是决定连接节点初始转动刚度、延性、耗能 能力、极限承载力和破坏形式的最主要因素。
Sheng．Jinchen和c．HYeh[241对“狗骨式”连接进行了低周反复荷载试验和震动台试 验。试验结果表明：该形式节点具有很好的延性，承载力稍有降低。
中国建筑科学研究院的高小旺和冶金部建筑研究总院的杨蔚彪对“狗骨式”节点进 行了试验研究【251。试验结果表明：与传统梁柱节点相比，狗骨式节点的整体刚度和强度 的降低相对较小，但延性显著提高，这种节点较好地改善了节点性能；随着梁翼缘厚度 的增加，梁柱连接的弹性刚度增加，承载力和延性也有显著提高，但在梁翼缘的对接焊 缝处产生的焊接缺陷也比较大；狗骨式节点降低了焊缝处的应力值，缓解应力集中，使 危险截面从焊缝处转移到梁削弱处，起到“保险丝"的作用。
武汉理工大学王新武做了3个狗骨式刚性节点试件的试验研究【261。试验研究表明： 由于梁上翼缘与柱连接处的对接焊缝被撕裂，破坏时的弯矩承载力远没有达到梁全截面 塑性弯矩承载力。
吴芸、吴华英等【27】对狗骨式刚性连接钢框架进行行了循环加载试验。试验结果表明： 狗骨式刚性连接钢框架滞回曲线稳定饱满，呈梭形，具有较好的抗震性能。这次试验为 其在钢框架中的应用提供了依据。
顾强l冽对腹板双角钢半刚性节点进行了梁端循环位移加载试验。探讨了角钢高度、 角钢厚度、角钢长厚度、梁跨度、梁高、柱翼缘厚度、高强螺栓的直径、高强螺栓的级 别和排列布置等对节点性能的影响。试验结果表明：该节点绝大部分在循环荷载作用下 有较好的延性；螺栓的排列布置对节点性能有较大影响；柱翼缘厚度对连接性能影响不 大，增大角钢厚度，连接的强度和刚度增加，但延性大大降低。

1．3．2有限元分析研究 试验是最直接的方法，但是试验研究具有局限性，随着计算机的发展，大部分研究
者对梁柱连接性能的研究采用了有限元法。

Patel和Chenl采用NONSAP程序对梁柱腹板连接进行了非常细致的非线性有限元

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分析【29-30]。研究发现，翼缘连接板与柱翼缘和柱腹板不需要全部焊接，只需在翼缘连接 板中部焊接翼缘连接板宽度的30,．-．-40％，就足以提供所需要的强度。
王万祯【3l-32】用ANSYS有限元软件对钢框架梁柱栓焊刚性节点的滞回性能、破坏机 理进行了深入的研究。探讨了柱轴压力、摩擦系数p、梁翼缘厚度、柱翼缘宽度、梁剪 跨比、梁截面高度、高强螺栓预拉力等对节点受力性能的影响。研究结果表明：高强螺 栓预拉力和摩擦系数对梁柱连接性能影响不显著；随着梁高增加，承载力和变形能力降 低；随着梁翼缘厚度增加，梁柱连接的刚度、承载力和延性都有所下降；柱翼缘越厚， 梁柱连接延性越低，梁柱连接更容易发生脆性断裂。在传统节点研究的基础上，提出了 改进的新型节点，如焊接盖板节点、削减梁截面节点和焊接梁腋节点，并对这些节点进 行了有限元分析。对这些新型节点，给出了抗震设计建议。
郭秉山【33441对18个系列59个梁柱腹板连接试件在单调荷载作用下的受力性能和循 环荷载作用下的滞回性能进行了非线性有限元模拟和分析研究。探讨了柱翼缘厚度、柱 轴向压力、梁翼缘厚度、柱翼缘宽度、梁截面高度、梁的跨度、高强螺栓的预拉力、梁 翼缘连接板的厚度和伸出长度等因素对梁柱弱轴连接受力性能的影响。研究内容系统、 广泛，得出许多有用的结论，对设计及施工具有重要的参考价值。
陈宏等【351人对标准型、带长槽型、狗骨型及焊接孔扩大型四种类型的节点进行了非 线性有限元分析。
王芬，高兑现等【36】用ANSYS有限元软件分析了削弱深度对梁柱强轴狗骨式节点受 力性能的影响。

1．4梁柱弱轴连接节点研究中存在的问题

国内外对钢结构传统节点及改进型节点性能的研究虽有很大进展，但远未达到成熟 阶段，主要存在以下诸方面问题：
1．试验方面 (1)试验是在特定条件下进行的，如改变其中任一条件，则结果不能由已知试验结果 来准确预测。 (2)由于受试验条件、量测手段限制，对螺栓连接至关重要的一些数据，如螺栓和孔 壁的挤压作用、螺栓头或螺栓帽与连接板件之间的传力过程、螺栓的伸长等都不能有效 的进行量测。 (3)试验大都采用缩尺模型，几何及力学缺陷对足尺和缩尺试件的影响不同，试件的

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第一苹绪论

试验规律如何推广至实际结构构件还有待进一步深入研究。 (4)受试验条件的限制，试验模拟的加载及边界条件与实际结构中真实受力环境之间 存在误差，不可能很精确模拟连接的真实受力情况，试验得出的滞回特性能与理论滞回 性能往往有很大的差别。 (5)试验数据采集的延迟、随机性和误差，试验结果离散性大，不能进行系统分析， 不利于准确描述节点性能。
2．数值分析方面 (1)数值分析模型较粗糙，一些比较完善的数值模型中也采用了过于简单的本构关系， 与循环塑性大变形下的实际特性相差甚远。 (2)影响节点整体性能的许多因素并不是单独起作用的，各因素之间都相互影响，人 们对各因素之间的关系还认识不清楚。 (3)对连接破坏机理的认识大多停留在定性阶段，很难形成量以指导实践。 (4)梁柱栓焊混合连接中，螺栓、梁腹板和连接板之间存在着大量的接触区域，然而 精确地处理接触问题十分困难。
(5)对循环荷载作用下节点性能分析缺数值模型。 (6)在做有限元分析时，影响节点的很多因素没有考虑到，这样使得模型不足以反映 试件实际行为。

1．5本文主要研究内容

虽然国内外已对梁柱弱轴连接做了一些的试验研究和有限元分析，但是国内有关梁 柱弱轴方面的资料非常有限，特别是本课题提出的新型弱轴栓焊混合连接节点在国内外 还没有见到过，因此本文做了传统弱轴栓焊混合连接和新型弱轴栓焊混合连接节点试 验。此外，在试验的基础上，用ANSYS有限元软件对所研究的梁柱弱轴连接做数值分 析，有限元分析结果可以与试验结果相互验证。利用ANSYS有限元软件对所研究的连 接进行参数分析，可以弥补试验试件少、数据不全面的缺点。研究结果可为以后的设计 和施工提供参考。具体内容主要有： (1)了解钢框架结构梁柱连接的研究成果，根据课题对试验的要求确定连接试验的类
型，设计、加工连接试验试件，做好试验方案，实施试验。 (2)整理试验数据，分析试验结果，研究所试验试件的受力性能。 (3)选择数值模拟所用的有限元程序，并根据试验资料，建立有限元模型，并验证有

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长安大学硕士学位论文

限元程序的可靠性和精度。 (4)对新型梁柱弱轴栓焊混合连接节点与传统梁柱弱轴栓焊混合连接节点的受力性能 进行对比分析。 (5)对影响新型梁柱弱轴连接节点的受力性能的柱轴压比、蒙皮板高度、蒙皮板厚度、 加劲肋厚度等参数进行变参数分析。分析各参数对节点受力性能影响的重要程度以及各 参数下节点的破坏机理。
(6)根据研究结果，为其设计和施工提供可供参考设计建议。

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第二章梁柱弱轴节点的试验研究

第二章梁柱弱轴节点的试验研究

2．1引言

虽然国fl夕i-已对梁柱弱轴连接做了一些的试验研究和有限元分析，但是国内有关梁 柱弱轴方面的资料非常有限，特别是本课题提出的新型梁柱弱轴栓焊混合连接节点在国 内外还没有人研究过，因此本文拟对H形梁与H形柱弱轴栓焊混合连接在循环荷载作 用下的性能进行试验研究。
为了研究梁柱弱轴栓焊混合连接节点在循环复荷载作用下的受力性能，同时为后续 的有限元分析计算提供有效性验证依据，本文共设计制作了两个试件用于试验研究，其 中一个为新型梁柱弱轴栓焊混合连接节点，为了与传统节点相比较，还制作了一个传统 梁柱弱轴栓焊混合连接节点。

2．2试验概况

2．2．1试验目的

钢框架梁柱连接节点在循环荷载作用下的受力性能是研究节点性能的一个关键问 题，节点试验则是研究的重要方法之一。通过试验，可以直接得到节点在荷载作用下各 项性能指标的实测结果，获得可靠的数据，进行分析发现规律，并且可以直接观察试件 的破坏形态及破坏中出现的各种问题。
本试验主要目的： (1)通过循环加载试验研究传统梁柱弱轴栓焊混合连接和新型梁柱弱轴栓焊混合连接 的滞回性能，两种连接方式的初始连接刚度、屈服荷载、耗能系数、延性系数、极限破 坏荷载、破坏模式以及极限转角。 (2)分析节点域的应力分布和变化情况；分析连接处附近柱翼缘、柱腹板梁翼缘、梁 腹板及连接板处应力分布及变化情况，还要分析新型节点蒙皮板、加劲肋及传统节点梯 形板处应力分布及变化情况。 (3)对新型连