門(mén)式剛架半剛性節(jié)點(diǎn)的剛度分析.doc

1、門(mén)式剛架半剛性節(jié)點(diǎn)的剛度分析第一章 緒 論1。1輕型門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)的介紹人們對(duì)輕鋼建筑的認(rèn)識(shí)最初理解只是自重輕，主要指最常見(jiàn)的單層(含夾層）實(shí)腹式鋼架輕型鋼結(jié)構(gòu)金屬面板房屋.但事實(shí)上,具有同樣“輕”的特點(diǎn)的金屬建筑還很多，如輕型多層鋼結(jié)構(gòu)房屋，輕型波形折皺拱殼屋蓋(房屋），輕型桁架屋蓋,輕型板片空間結(jié)構(gòu)屋蓋（房屋）等，其結(jié)構(gòu)形式迥然。要嚴(yán)格定義輕鋼建筑是困難的，綜合其共同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文給出如下定義：輕鋼建筑亦稱輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑，是指以輕型冷彎薄壁型鋼、輕型焊接和高頻焊接型鋼，薄鋼板，薄壁鋼管，輕型熱軋型鋼及以上各構(gòu)件拼接、焊接而成的組合構(gòu)件等為主要受力構(gòu)件，大量采用輕質(zhì)圍護(hù)隔離材料的低層和多層建

2、筑1。輕鋼建筑結(jié)構(gòu)具有如下特點(diǎn)：（1）構(gòu)造簡(jiǎn)單,材料單一容易做到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化定型化，構(gòu)件加工制作工業(yè)化，現(xiàn)場(chǎng)安裝預(yù)制裝配化程度高。銷(xiāo)售、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)可以全部采用計(jì)算機(jī)控制，產(chǎn)品質(zhì)量好，生產(chǎn)效率高。（2）自重輕.降低了基礎(chǔ)材料用量,減少構(gòu)件運(yùn)輸、安裝工作量，并且有利于結(jié)構(gòu)抗震.（3）工期短。構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)定型裝配化程度高，現(xiàn)場(chǎng)安裝簡(jiǎn)單快速，一般廠房倉(cāng)庫(kù)簽定合同后2-3個(gè)月內(nèi)可以交付使用。因?yàn)闆](méi)有濕作業(yè),現(xiàn)場(chǎng)安裝不受氣候影響。（4）可以滿足多種生產(chǎn)工藝和使用功能的要求。輕鋼建筑結(jié)構(gòu)體系在建筑造型、色彩以及結(jié)構(gòu)跨度、柱距等方面的選擇上靈活多樣,給設(shè)計(jì)者提供了充分展示才能的條件。（5）綠色環(huán)保輕鋼建筑結(jié)構(gòu)屬于環(huán)

3、保性、節(jié)能性產(chǎn)品，廠房可以搬遷，材料可以回收。(6）價(jià)格適宜。隨著我國(guó)鋼產(chǎn)量的增加，鋼材價(jià)格的下調(diào)，競(jìng)爭(zhēng)的激烈,輕鋼結(jié)構(gòu)建筑與同類(lèi)磚混結(jié)構(gòu)建筑相比，造價(jià)持平或略低.低層輕鋼建筑指兩層以下(含兩層）的輕鋼房屋建筑，主要有實(shí)腹式、門(mén)式剛架或排架，也可采用格構(gòu)式構(gòu)件。其各榀鋼架（含端墻體系）靠墻梁、檁條和各類(lèi)支撐體系,構(gòu)成空間的承力體系。門(mén)式剛架輕鋼建筑是我國(guó)當(dāng)前最常見(jiàn)和最受歡迎的輕鋼建筑形式，在國(guó)內(nèi)低層金屬建筑中占?jí)艛嗟匚?，也是人們通常印象中的輕鋼建筑。門(mén)式剛架輕鋼建筑在空間尺寸上，一般檐高為4.59m，并可適當(dāng)加大,單體單跨寬以9-36 m為宜，多跨可達(dá)100 m以上；不設(shè)置溫度分區(qū)的單體建筑平

4、面尺寸可做到長(zhǎng)300m,寬150m，采用溫度分區(qū)等構(gòu)造措施后，理論上其平面布置可不受尺寸限制，能較好地滿足人們對(duì)建筑的布局靈活，使用空間大的要求。輕型鋼結(jié)構(gòu)是指這樣一種結(jié)構(gòu):圍護(hù)結(jié)構(gòu)自重輕,承重結(jié)構(gòu)截面小，標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化、機(jī)械化快速制作安裝,并采用新結(jié)構(gòu)鋼材的新結(jié)構(gòu)體系。它分為一般輕型和超輕型。一般輕型鋼結(jié)構(gòu)主要采用薄鋼板焊接截面或冷彎薄壁型鋼構(gòu)件，典型的結(jié)構(gòu)體系為門(mén)式剛架。也可采用軋制型鋼板截面.超輕型輕鋼結(jié)構(gòu)主要采用壓型鋼板，冷彎薄壁構(gòu)件和圓鋼為承重構(gòu)件，典型的結(jié)構(gòu)體系是褶皺拱橋屋面。輕鋼建筑的主結(jié)構(gòu)、次結(jié)構(gòu)、支撐體系、圍護(hù)體系，形成一個(gè)空間三維的承力體系而共同工作，通常稱為系統(tǒng)建筑（如圖

5、1-1)。圖11 門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)圖輕鋼結(jié)構(gòu)主要體系有：焊接（軋制)門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)體系、冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系，多層框架結(jié)構(gòu)體系、薄壁褶皺拱橋屋面體系、空間和張拉結(jié)構(gòu)體系。輕鋼結(jié)構(gòu)適用范圍：根據(jù)我國(guó)目前情況來(lái)看，這種結(jié)構(gòu)由于其用度廣、優(yōu)勢(shì)明顯,已大量應(yīng)用于單層工業(yè)廠房、多層工業(yè)廠房、辦公樓以及高層建筑中的非承重構(gòu)件等。通常以H型鋼,采用焊接連接作為梁柱，以C形或Z形輕鋼板作擦條；對(duì)單層工業(yè)廠房，以彩色壓型剛板或夾芯彩鋼板（EPS板）作屋面，對(duì)多層工業(yè)廠房或辦公樓,樓面或屋蓋系統(tǒng)用壓型彩色鋼板作面層，上面可澆混凝土，加上適當(dāng)?shù)臉?gòu)造措施，壓型鋼板可起受拉鋼筋的作用，必要時(shí)也可以再增加鋼筋;圍護(hù)結(jié)構(gòu)可采用單

6、層或夾層壓型鋼板,夾層板內(nèi)部可充填各種保溫層。目前在我國(guó)門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制作、安裝技術(shù)己日趨成熟，每年新增建筑面積近20萬(wàn)平方米 ， 應(yīng)用范圍包括各類(lèi)輕型工業(yè)廠房、體育場(chǎng)館、娛樂(lè)場(chǎng)所等公共建筑,倉(cāng)庫(kù)及儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施，超市、零售和商業(yè)服務(wù)等.據(jù)最近幾年的統(tǒng)計(jì)資料表明，在我國(guó)已建成的100幢超高層建筑中鋼結(jié)構(gòu)約占了7，其中引人注目的如大跨度房屋結(jié)構(gòu)（如鋼屋架、鋼網(wǎng)架、懸索結(jié)構(gòu)、三鉸拱架等,跨度可達(dá)60m甚至100m以上）、重型廠房結(jié)構(gòu)（如重型機(jī)械制造業(yè)、鋼鐵聯(lián)合企業(yè)許多車(chē)間的主要承重結(jié)構(gòu)，“重”在吊車(chē)起重達(dá)百噸以上、作業(yè)繁重等）、大跨度橋梁結(jié)構(gòu)、高聳結(jié)構(gòu)(如高壓輸電塔架、桅桿結(jié)構(gòu)等)和超高層房屋結(jié)構(gòu)

7、等。而剛框架結(jié)構(gòu)剛度好,用剛省,便于安裝,隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和鋼材價(jià)格的下降，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用將愈來(lái)愈廣泛。1.2門(mén)式剛架轉(zhuǎn)角節(jié)點(diǎn)研究的意義輕鋼門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)具有自身的特點(diǎn)，在進(jìn)行輕鋼門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)研究時(shí)，必須把門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)相結(jié)合。鋼結(jié)構(gòu)有著很多優(yōu)點(diǎn)如:（1）強(qiáng)度高,塑性韌性好 （2)鋼結(jié)構(gòu)的重量輕 （3）材質(zhì)均勻和力學(xué)計(jì)算的假定比較符合 （4）鋼結(jié)構(gòu)制作簡(jiǎn)便，施工工期短 （5）鋼結(jié)構(gòu)密閉性較好。但有著不耐火、不耐腐蝕、在低溫或某些條件下易斷裂的一些缺點(diǎn).與此同時(shí),多年來(lái)國(guó)外在輕鋼結(jié)構(gòu)體系的研究方面作了大量的有成效的工作，并且得到了廣泛的應(yīng)用。我國(guó)由于多種原因，輕鋼結(jié)構(gòu)起步較晚，相

8、應(yīng)的技術(shù)規(guī)范、規(guī)程的編制工作相對(duì)滯后,多數(shù)設(shè)計(jì)人員鋼結(jié)構(gòu)知識(shí)陳舊，缺乏相關(guān)培訓(xùn)，對(duì)輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和計(jì)算方法不熟悉，且受傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想束縛，導(dǎo)致設(shè)計(jì)用鋼高于國(guó)外同類(lèi)結(jié)構(gòu)。同時(shí)我國(guó)輕鋼結(jié)構(gòu)的理論和試驗(yàn)研究尚不夠深入,對(duì)諸多技術(shù)問(wèn)題尚不能提出合理適用的解決方案。由此，對(duì)輕鋼結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行廣泛而深入的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。1。3 門(mén)式剛架轉(zhuǎn)角節(jié)點(diǎn)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1。3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀1屈服線分析在大多數(shù)情況下，尤其在輕鋼結(jié)構(gòu)中，更合理和流行的做法是利用屈服線理論.螺栓拉力作用下，端板塑性發(fā)展，形成破壞機(jī)構(gòu),利用極限平衡原理進(jìn)行分析計(jì)算。比較不同的合理屈服線下的承載力，取最低值作為設(shè)計(jì)依

9、據(jù).端板的屈服線分布與螺栓的布置以及端板的支承情況有關(guān)，尤其當(dāng)節(jié)點(diǎn)形式復(fù)雜，存在加勁肋和多排螺栓時(shí)，確定屈服線形式也不是很容易的。 Packer和Morris采用曲線形式的屈服線分析端板,但是由于缺乏足夠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，沒(méi)有得出最后結(jié)論。后來(lái)，Phillips和Packer做了一系列試驗(yàn)，研究端板厚度對(duì)節(jié)點(diǎn)彎矩轉(zhuǎn)角中特性和破壞機(jī)制的影響，他們還研究了平齊式端板節(jié)點(diǎn)受拉區(qū)第二排螺栓對(duì)節(jié)點(diǎn)剛度的影響，指出受拉區(qū)采用兩排螺栓的做法適應(yīng)于半剛性節(jié)點(diǎn)，但第二排螺栓的作用比通常估計(jì)的要小。Srouj也用屈服線分析，提出了四種不同形式端板的設(shè)計(jì)方法,給出螺栓受力和杠桿力的確定公式，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了其屈服線分

10、析的合理性。他建議設(shè)計(jì)方法同時(shí)考慮節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度和剛度，由于只有平齊式實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),他沒(méi)有給出外伸式端板節(jié)點(diǎn)的完整設(shè)計(jì)方法. Kendrick繼續(xù)完善Srouji的工作，給出了具有統(tǒng)一屈服線形式的多種形式端板的設(shè)計(jì)方法，并提出了所有節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)驗(yàn)證。他分別從強(qiáng)度和剛度的角度比較了各種形式端板節(jié)點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)，并建議用強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)。 Morrison又將Sronji和Kendrick的工作推進(jìn)一步，研究了其它形式端板節(jié)點(diǎn)的性能和設(shè)計(jì)方法?？偟恼f(shuō)來(lái)，基本方法是類(lèi)似的，只是節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜性增加了.2。有限元分析 近期的研究則傾向于采用有限元方法和回歸分析形成設(shè)計(jì)公式，可以得出比較精確的結(jié)果，但往往過(guò)程繁瑣，得到的公

11、式比較復(fù)雜。Tarpy和Cardinal用彈性有限元分析了無(wú)加勁肋梁柱端板連接的性能并提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法，與以前的研究不同的是，他把柱翼緣與端板厚度作為兩個(gè)不同的參數(shù)，而不是一個(gè)。 Maxwelletal等用各種方法研究了端板性能,簡(jiǎn)單受彎方法，屈服線方法，有限微分方法和有限元方法,得出的結(jié)論是有限元方法是最佳方法。它可以減少試驗(yàn)代價(jià)，而又提供最接近實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的結(jié)果。在有限元分析的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，他給出了預(yù)測(cè)節(jié)點(diǎn)極限彎矩和彎矩轉(zhuǎn)角關(guān)系的公式。Ahuja首先開(kāi)始研究設(shè)加勁肋、受拉翼緣兩側(cè)各有兩排螺栓的端板連接的受力變形特性，采用二維和三維混合有限元模型，即端板、螺栓用三維單元,而梁的腹板、翼緣

12、用二維單元。但只是考慮了彈性材料,通過(guò)參數(shù)分析得出了比較可靠的影響變量，并進(jìn)行回歸分析，得出了預(yù)測(cè)螺栓力和節(jié)點(diǎn)變形的有關(guān)公式，但是彈性材料的限制使結(jié)果偏于保守。Chang-Koon Choi和Gi-teek Chung也利用有限元方法分析了端板節(jié)點(diǎn)的特性。他們采用了完全的三維分析，力圖模擬出節(jié)點(diǎn)的實(shí)際工作狀態(tài)。進(jìn)行彈塑性分析，考慮了螺栓的預(yù)拉力，以及接觸面的復(fù)雜受力情況。總之，把節(jié)點(diǎn)作為一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)得到了分析和研究。Chas和Le-Wu Lu采用有限元方法對(duì)杠桿力和端板剪力進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的研究，對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)，證明了計(jì)算結(jié)果的可靠性，并在此基礎(chǔ)上提出了對(duì)設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)。3。節(jié)點(diǎn)域斜向加勁肋的研究

13、縱觀國(guó)外資料,目前對(duì)節(jié)點(diǎn)域斜向加勁肋的研究還非常少見(jiàn)，已有的研究主要是圍繞縱向和橫向加勁肋展開(kāi)的，M. Skaloud在他的論文Optimum rigidity of stiffeners of webs and flanges中對(duì)各種受力狀況下不同位置的縱向與橫向加勁肋的受力性能進(jìn)行了分析并考慮了初始缺陷的影響，該文獻(xiàn)對(duì)加肋梁柱的連接節(jié)點(diǎn)中的斜向加勁肋進(jìn)行了分析，其分析以靜力平衡分析為主，沒(méi)有考慮腹板對(duì)橫向力的抵抗作用,沒(méi)有考慮斜向加勁肋的穩(wěn)定問(wèn)題，也沒(méi)有考慮腹板的屈曲后性能。4。輕型鋼結(jié)構(gòu)在國(guó)外的應(yīng)用情況國(guó)外輕型鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用起步較早，發(fā)展異常迅速:（1）預(yù)制裝配式金屬房屋建筑誕生于本世紀(jì)初

14、,主要用于車(chē)庫(kù)，采用鋼波紋板屋面和墻面，二十年代出現(xiàn)定型化生產(chǎn)的廠房.（2）二戰(zhàn)期間裝配式金屬房屋建筑迅速發(fā)展,多用于快速建設(shè)戰(zhàn)地飛機(jī)庫(kù),戰(zhàn)后重建對(duì)工業(yè)廠房的大量需求，刺激了金屬房屋的發(fā)展.（3）四十年代出現(xiàn)門(mén)式剛架,五十年代出現(xiàn)壓型鋼板，六十年代出現(xiàn)彩板、Z型擦條、保溫墻板和屋面板.（4）英國(guó)新建結(jié)構(gòu)中95單層框架和65的多層框架采用輕鋼結(jié)構(gòu),英國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)(（BCSA）研究開(kāi)發(fā)、推廣技術(shù)、規(guī)范市場(chǎng)。（5）美國(guó)低層非居住類(lèi)房屋建筑以金屬房屋主為：1995年15000以下的單、雙層建筑中金屬房屋占65%,新建面積為3500萬(wàn)平方米,15000以上的工業(yè)建筑面積達(dá)32萬(wàn)平方米.美國(guó)的輕鋼結(jié)構(gòu)分布

15、：商業(yè)建筑36，包括倉(cāng)儲(chǔ)、辦公、超市、車(chē)庫(kù)和零售;各種工業(yè)廠房40%；公共建筑12%,包括學(xué)校、娛樂(lè)、醫(yī)院、體育場(chǎng)館；其余12主要為農(nóng)業(yè)建筑,包括糧倉(cāng)、養(yǎng)殖場(chǎng)、種植大棚等。 1。3.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀1。研究成果 施剛等人針對(duì)門(mén)式剛架端板斜放和梁梁拼接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)和有限元分析，研究了外伸式端板連接的承載力和剛度特性，討論了我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范關(guān)于外伸式端板連接的設(shè)計(jì)方法中存在的問(wèn)題，同時(shí)給出了改進(jìn)建議，并根據(jù)分析的結(jié)果，文獻(xiàn)還提出了一種新的外伸式端板連接螺栓拉力分布模型及相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法。另外，施剛還通過(guò)對(duì) 8個(gè)不同構(gòu)造的多層鋼框架梁柱端板連接進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究了鋼框架梁柱端板連接節(jié)點(diǎn)的剛度和承載力特

16、性，分析了端板厚度、螺栓直徑、端板加勁肋、柱腹板加勁肋、平齊式和外伸式等因素對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力、轉(zhuǎn)動(dòng)剛度和極限轉(zhuǎn)動(dòng)能力的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：實(shí)際工程中采用的很多端板連接大多屬于半剛性連接，在荷載作用下，節(jié)點(diǎn)發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)動(dòng)變形該文根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)端板連接節(jié)點(diǎn)提出了設(shè)計(jì)建議。 荊軍等人對(duì) 4個(gè)外伸端板連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了循環(huán)荷載試驗(yàn)，考慮的影響因素主要是：節(jié)點(diǎn)柱腹板有無(wú)加勁肋,端板厚度 12mm 和 16mm 兩種，采用 8。8級(jí) M16 螺栓柱頂施加 600kN 的軸壓力.研究結(jié)論是：端板半剛性梁柱節(jié)點(diǎn)具有較好的延性和耗能性能，節(jié)點(diǎn)域配置加勁肋可以增大節(jié)點(diǎn)剛度，端板厚度對(duì)節(jié)點(diǎn)延性影響較大，并建議端板厚度要比

17、柱翼緣厚度要厚。該文獻(xiàn)在國(guó)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，將 T 形件方法和屈服線理論結(jié)合起來(lái),分析了外伸式半剛性端板連接的破壞模式及其相應(yīng)的承載力和初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的計(jì)算方法. 郭兵等人對(duì)鋼框架梁柱端板連接節(jié)點(diǎn)的滯回性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，他們共設(shè)計(jì)了 8個(gè)節(jié)點(diǎn)試件，其中有 7個(gè)節(jié)點(diǎn)在柱端施加了軸力,4個(gè)節(jié)點(diǎn)端板設(shè)置了加勁肋。研究結(jié)果表明：端板連接具有良好的延性和耗能能力,節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角都超過(guò)了 0.03rad，端板剛度是影響節(jié)點(diǎn)滯回性能和極限承載力的決定因素，端板較薄時(shí)，端板加勁肋不但可以顯著提高端板剛度，而且可以延緩梁翼緣與端板間焊縫的開(kāi)裂，有效提高承載力,減小撬力,最后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出了設(shè)計(jì)和施工建議。 楊永

18、長(zhǎng)等人通過(guò)對(duì) 6個(gè)簡(jiǎn)支梁試件進(jìn)行試驗(yàn)，研究門(mén)式剛架端板連接節(jié)點(diǎn)附加轉(zhuǎn)角的影響。通過(guò)試驗(yàn)得到的結(jié)論是：由于端板連接節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致梁的實(shí)際撓度比計(jì)算值要大，端板連接節(jié)點(diǎn)屬于半剛性連接節(jié)點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)端板連接節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)和破壞機(jī)理作了進(jìn)一步的分析,并提出了一些設(shè)計(jì)建議。 舒興平等人根據(jù)節(jié)點(diǎn)域的變形特點(diǎn)，提出了一種考慮節(jié)點(diǎn)域剪切變形影響的空間鋼框架結(jié)構(gòu)的分析方法，并用該法對(duì)純框架、支撐框架體系進(jìn)行了比較分析，文獻(xiàn)認(rèn)為:在多高層鋼框架結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)域剪切變形對(duì)側(cè)移的影響較大,不應(yīng)忽略,但在支撐框架結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)域?qū)?cè)移的影響顯著減小，其影響作用可以忽略，其提出的方法，簡(jiǎn)單易行，便于程序?qū)崿F(xiàn),計(jì)

19、算結(jié)果可靠，是一種考慮節(jié)點(diǎn)域剪切變形的有效方法.2.我國(guó)輕型鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用現(xiàn)狀 輕鋼結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)初具規(guī)模： 由于歷史原因,我國(guó)近現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展一度較緩慢.隨著我國(guó)建筑業(yè)的發(fā)展，鋼產(chǎn)量的提升，輕鋼結(jié)構(gòu)得到廣泛運(yùn)用。建國(guó)初，我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展緩慢，其主要原因是我國(guó)長(zhǎng)期處于貧鋼國(guó)地位，因而在基本建設(shè)中長(zhǎng)期實(shí)行了節(jié)約鋼材、大力發(fā)展混凝土結(jié)構(gòu)的政策。這在當(dāng)時(shí)鋼產(chǎn)量不足、混凝土材料可就地選取、房屋層數(shù)普遍不高的情況下，無(wú)疑是經(jīng)濟(jì)可行的.隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，從1985 -1995年，我國(guó)鋼產(chǎn)量己達(dá)到5000-8000萬(wàn)噸/年的水平,具備初步發(fā)展建筑鋼結(jié)構(gòu)的條件。1996年,我國(guó)鋼產(chǎn)量首次突破1億噸大關(guān)，并已

20、連續(xù)幾年位居世界第一。鋼材的類(lèi)型與規(guī)格呈多樣化：如鋼板、型鋼(熱軋等邊角鋼、熱軋不等邊角鋼、熱軋工字鋼、熱軋輕型工字鋼、熱軋槽鋼、熱軋輕型槽鋼、普通及熱軋焊接H型鋼、熱軋H型鋼和剖分T型鋼)、鋼管、冷彎型鋼、鋼結(jié)構(gòu)制品(建筑用壓型鋼板)。鋼的品種也發(fā)展成為：普通碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼、焊接結(jié)構(gòu)耐侯鋼、高耐侯性結(jié)構(gòu)鋼、橋梁式結(jié)構(gòu)鋼等.同時(shí)隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)際和國(guó)內(nèi)商業(yè)、體育的交流及交通的發(fā)展，出現(xiàn)了大量高層建筑、大跨體育館、會(huì)展中心、跨江、河的大跨度橋梁以及大型的廠房展，也為產(chǎn)量逐步增加的鋼材料找到新的應(yīng)用市場(chǎng)。輕型鋼結(jié)構(gòu)就是在這種環(huán)境下得到推廣應(yīng)用的5。 文檔為個(gè)人收集整理，來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)

21、個(gè)人收集整理,勿做商業(yè)用途我國(guó)大面積應(yīng)用輕型鋼結(jié)構(gòu)是從二十世紀(jì)八十年代初建設(shè)的寶山鋼鐵公司一期工程開(kāi)始的。該項(xiàng)目基本上都是從日本新日鐵公司引進(jìn)的，工程采用熱軋H型鋼作為主承重骨架,并首次采用彩色壓型鋼板作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)。寶鋼一期工程展示了現(xiàn)代化工廠的新形象，給當(dāng)時(shí)的工程界帶來(lái)了不小的震動(dòng)。八十年代末期隨著改革開(kāi)放，沿海地區(qū)部分三資企業(yè)的一些工程開(kāi)始采用輕鋼建筑。此后，我國(guó)技術(shù)人員在學(xué)習(xí)、消化國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合我國(guó)的具體情況研制開(kāi)發(fā)了輕鋼結(jié)構(gòu)建筑用的各種設(shè)備。例如，輕型焊接H型鋼生產(chǎn)線(冶建總院、二十冶金屬結(jié)構(gòu)廠、錫山陽(yáng)通、無(wú)錫華聯(lián)等廠家可生產(chǎn)），C型、Z型冷彎薄壁型鋼生產(chǎn)線(廈門(mén)黎明、牡丹

22、江特種機(jī)械廠、上海鋼鐵工藝研究所、唬鋼漢口軋鋼廠、長(zhǎng)春冷彎型鋼廠等廠家可生產(chǎn))，各種壓型板成型機(jī)、夾芯板加工設(shè)備(冶建總院、廈門(mén)黎明、牡丹江特種機(jī)械廠、江蘇嘉定、上海包裝機(jī)械廠等廠家可生產(chǎn)).二十多年來(lái)國(guó)內(nèi)逐漸形成了具有一定規(guī)模的輕鋼結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)廠家。從鋼結(jié)構(gòu)制造加施工企業(yè)數(shù)量的大幅增長(zhǎng)就可窺見(jiàn)一斑,如上海市的鋼結(jié)構(gòu)制造和施工單位已由原來(lái)的幾十家一下子發(fā)展到現(xiàn)在的400多家，單上海的寶鋼地區(qū)就有近百家的鋼結(jié)構(gòu)制造廠。上海寶鋼彩鋼建筑新技術(shù)公司具有屋面、墻面、樓面用壓型板成型生產(chǎn)線10多條,C型、Z型冷彎型鋼成型生產(chǎn)線2條，曾經(jīng)為寶鋼板坯連鑄廠房提供90 m長(zhǎng)屋面壓型鋼板上海吳泰勝建設(shè)發(fā)展公司在上海

23、溫州兩地投資建廠設(shè)有H型鋼、C型鋼、夾芯板、壓型板生產(chǎn)的全套設(shè)備.西安高科彩鋼也具有多種壓型板和C型鋼成型機(jī)的專(zhuān)業(yè)廠家。深圳赤曉引進(jìn)意大利生產(chǎn)線是生產(chǎn)夾芯板的專(zhuān)業(yè)廠家。中國(guó)京冶、北京萬(wàn)思達(dá)、天津萬(wàn)利園、杭州杭蕭、浙江東南網(wǎng)架廠等都是在輕鋼結(jié)構(gòu)建筑領(lǐng)域很有實(shí)力的廠家.廣東及蘇南的鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)廠家更是遍地開(kāi)花。1.4 本文研究方法及內(nèi)容1.4.1 研究方法本文采用有限元方法來(lái)研究輕型門(mén)式剛架轉(zhuǎn)角節(jié)點(diǎn)性能。輕型門(mén)式剛架轉(zhuǎn)角節(jié)點(diǎn)的受力特點(diǎn)復(fù)雜，長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)外的研究是建立在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，但是試驗(yàn)研究也存在某些問(wèn)題：第一，實(shí)驗(yàn)代價(jià)太高，很難在短期內(nèi)積累系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資料；第二,實(shí)驗(yàn)研究盡管十分重要，但是它與

24、實(shí)際的節(jié)點(diǎn)受力還是存在差異，而且它在變形和螺栓受力方面提供的信息有限,節(jié)點(diǎn)的某些局部難以量測(cè)。而有限元方法則具有很大的優(yōu)越性;可以通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)參數(shù)的控制，得知節(jié)點(diǎn)參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)性能的影響,同時(shí)還可以進(jìn)行參數(shù)研究，綜合多種因素的共同作用效果；有限元模型可充分模擬節(jié)點(diǎn)的3D特性，以較小的成本取得比較可靠的數(shù)據(jù)以滿足當(dāng)前的需要，另外，有限元方法也是對(duì)節(jié)點(diǎn)研究方法的有益探索，彌補(bǔ)我國(guó)在焊縫連接研究方面的不足.因此，本文以有限元分析作為輕型門(mén)式剛架轉(zhuǎn)角節(jié)點(diǎn)性能研究的主要方法。1。4。2 研究?jī)?nèi)容主要包括以下內(nèi)容:1.采用ANSYS有限元軟件建立三維有限元模型,對(duì)半剛性節(jié)點(diǎn)承載力進(jìn)行剛度分析。2繪制不同的腹板的

25、高厚比和翼緣外伸寬厚比產(chǎn)生的彎矩位移圖。3.根據(jù)五組曲線找出屈服剛度和極限剛度的關(guān)系式，屈服彎矩和極限彎矩的關(guān)系式。 1.5本章小結(jié)本章簡(jiǎn)要地輕型門(mén)式剛架體系進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹,并將輕鋼門(mén)式剛架轉(zhuǎn)角節(jié)點(diǎn)的研究意義以及在國(guó)內(nèi)外的研究概況進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析，總結(jié)出本文將要做的工作。第二章 有限元理論2.1概述有限元方法是用于求解工程中各類(lèi)問(wèn)題的數(shù)值方法。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，剛度分析中的靜力，動(dòng)力，線形或非線形問(wèn)題,熱傳導(dǎo)中穩(wěn)態(tài)，瞬態(tài)或者熱應(yīng)力問(wèn)題，以及流體力學(xué)和電磁學(xué)中的很多問(wèn)題都可以用有限元方法解決。有限元法最初作為結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)位移法的發(fā)展,他的基本思路就是將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)看成由有限個(gè)單元僅在結(jié)點(diǎn)處聯(lián)結(jié)的整體，首先

26、對(duì)每一個(gè)單元分析其特性，建立相關(guān)物理量之間的相互聯(lián)系。然后,依據(jù)單元之間的聯(lián)系將各單元組裝成整體,從而獲得整體特性方程，應(yīng)用方程相應(yīng)的解法,即可完成整個(gè)問(wèn)題的分析。這種先化整為零，再集零為整和化未知為已知的研究方法，是有普遍意義的.有限元方法作為一種近似的數(shù)值分析方法，它借助于矩陣等數(shù)學(xué)工具,盡管計(jì)算工作量很大，但是整個(gè)分析是一致,有很強(qiáng)的規(guī)律性,因此特別適合于編制計(jì)算機(jī)程序來(lái)處理。一般來(lái)說(shuō)，一定前提條件下分析的近似性,隨著離散化網(wǎng)格的不斷細(xì)化，計(jì)算精度也隨之得到改善.所以，隨著計(jì)算機(jī)硬軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元分析技術(shù)得到了越來(lái)越多的應(yīng)用,40年左右的發(fā)展幾乎涉及了各類(lèi)科學(xué),工程領(lǐng)域中的問(wèn)題

27、。從應(yīng)用的深度和廣度來(lái)看，有限元法的研究和應(yīng)用正繼續(xù)不斷地向前探索和推進(jìn)。有限單元法的基本思想是將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組有限個(gè)、且按一定方式相互聯(lián)結(jié)在一起的單元的組合體.由于單元能按不同的聯(lián)結(jié)方式進(jìn)行組合，且單元本身又可以有不同的形狀，因此可以模型化幾何形狀復(fù)雜的求解域。有限單元法作為數(shù)值分析方法的另一個(gè)重要特點(diǎn)是利用在每一個(gè)單元內(nèi)假設(shè)的近似函數(shù)來(lái)分片的表示求解域上待求的未知場(chǎng)函數(shù)。單元內(nèi)的近似函數(shù)通常由未知場(chǎng)函數(shù)或及其導(dǎo)數(shù)在單元的各個(gè)結(jié)點(diǎn)的數(shù)值和其插值函數(shù)來(lái)表達(dá)。這樣一來(lái),一個(gè)問(wèn)題的有限元分析中，未知場(chǎng)函數(shù)或及其導(dǎo)數(shù)在各個(gè)結(jié)點(diǎn)上的數(shù)值就成為新的未知量（也就是自由度)，從而使一個(gè)連續(xù)的無(wú)限自

28、由度問(wèn)題變成離散的有限自由度問(wèn)題。一經(jīng)求解出這些未知量，就可以通過(guò)插值函數(shù)計(jì)算出各個(gè)單元內(nèi)場(chǎng)函數(shù)的近似值,從而得到整個(gè)求解域上的近似解。顯然，隨著單元數(shù)目的增加，也就是單元尺寸的縮小，或者隨著單元自由度的增加及插值函數(shù)精度的提高，解的近似程度將不斷改進(jìn)。如果單元是滿足收斂要求的,近似解最后將收斂于精確解。該法具有以下特點(diǎn):1.整個(gè)系統(tǒng)離散為有限個(gè)單元元素;利用能量最小原理與泛函數(shù)值定理轉(zhuǎn)換成一組線性聯(lián)立方程組。2.處理過(guò)程簡(jiǎn)潔明了。3.因?yàn)橐獙⒄麄€(gè)區(qū)域作離散化處理，因而需要龐大的資料輸出空間與計(jì)算機(jī)內(nèi)存，解題耗時(shí)較大。4.對(duì)線性及非線性問(wèn)題均適用。5.無(wú)限區(qū)域問(wèn)題的仿真較難.2.2有限元分析的

29、基本步驟有限元分析的實(shí)施過(guò)程可分為三個(gè)階段。前處理階段：將整體結(jié)構(gòu)或其一部分簡(jiǎn)化為理想的數(shù)學(xué)力學(xué)模型，有離散化的單元代替連續(xù)實(shí)體結(jié)構(gòu)或求解區(qū)域；分析計(jì)算階段:運(yùn)用有限元法對(duì)結(jié)構(gòu)離散模型進(jìn)行分析計(jì)算;后處理階段:對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析、整理和歸納。對(duì)有限元分析步驟簡(jiǎn)述如下:1.結(jié)構(gòu)的離散化將要分析的結(jié)構(gòu)物分割成有限個(gè)單元體，并在單元體的指定點(diǎn)設(shè)置結(jié)點(diǎn),使相鄰單元的有關(guān)參數(shù)具有一定的連續(xù)性，并構(gòu)成一個(gè)單元的集合體,用它來(lái)代替原來(lái)的結(jié)構(gòu).2。選擇位移模式為了能夠用結(jié)點(diǎn)位移表示單元體的位移、應(yīng)變、應(yīng)力，在分析連續(xù)體問(wèn)題時(shí)，必須對(duì)單元中的位移分布作出一定的假定，即假定位移是坐標(biāo)的某種簡(jiǎn)單的函數(shù)，這種函數(shù)稱為

30、位移模式或插值函數(shù)。選擇適當(dāng)?shù)奈灰颇Ｊ绞怯邢迒卧ǚ治鲋械年P(guān)鍵。通常選擇多項(xiàng)式為位移模式。其原因是因?yàn)槎囗?xiàng)式的數(shù)學(xué)運(yùn)算(微分和積分)比較方便，并且由此所有光滑函數(shù)的局部，都可以用多項(xiàng)式來(lái)逼近。至于多項(xiàng)式的項(xiàng)數(shù)和階次的選擇，則要考慮到單元的自由度和解的收斂性要求。一般來(lái)說(shuō)，多項(xiàng)式的項(xiàng)數(shù)應(yīng)等于單元的自由度數(shù),它的階次應(yīng)包含常數(shù)項(xiàng)和線性項(xiàng)等。(這里所謂單元的自由度指單元結(jié)點(diǎn)獨(dú)立位移的個(gè)數(shù)）根據(jù)所選定的位移模式，就可以導(dǎo)出用結(jié)點(diǎn)位移表示單元內(nèi)任意一點(diǎn)位移的關(guān)系式，其矩陣形式是: （2-1）式中為單元內(nèi)任意一點(diǎn)的位移列陣:為形函數(shù)矩陣，它的元素是位置坐標(biāo)的函數(shù)；為單元的結(jié)點(diǎn)位移列陣。有限單元法比起經(jīng)典的

31、近似法具有明顯的優(yōu)越性。例如，在經(jīng)典的瑞利一里茲法中，要求選取一個(gè)函數(shù)來(lái)近似地描述整個(gè)求解區(qū)域中的位移，并且必須滿足相應(yīng)的邊界條件;而在有限單元法中則采用分塊近似，只需對(duì)一個(gè)單元選擇一個(gè)近似位移函數(shù)。此時(shí)，不必考慮位移邊界條件，只需考慮單元之間位移的連續(xù)性就可以了。這樣做當(dāng)然比起在整個(gè)區(qū)域中選取一個(gè)連續(xù)函數(shù)要簡(jiǎn)單得多，特別是對(duì)于復(fù)雜的幾何形狀或者材料性質(zhì)、作用載荷有突變的結(jié)構(gòu),采用分段函數(shù)，就顯得更為合理了。3。分析單元的力學(xué)特性，導(dǎo)出單元?jiǎng)偠染仃?。利用幾何方程由位移表達(dá)式導(dǎo)出用結(jié)點(diǎn)位移表示單元應(yīng)變的關(guān)系式： （22)式中為單元應(yīng)變矩陣，為單元內(nèi)任意一點(diǎn)的應(yīng)變列陣。利用反映材料物理特性的本構(gòu)方

32、程 ， 由應(yīng)變的表達(dá)式 (2-3)導(dǎo)出用結(jié)點(diǎn)位移表示的單元應(yīng)力的關(guān)系式： （2-4）式中為單元內(nèi)任意一點(diǎn)的應(yīng)力列陣，為與單元材料有關(guān)的彈性矩陣.利用變分原理,建立作用與單元上的結(jié)點(diǎn)力和結(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系式,即單元的平衡方程: （25)式中：稱為單元?jiǎng)偠染仃?，其?jì)算式為： (積分遍及整個(gè)單元的體積) (26） 式中稱為等效結(jié)點(diǎn)力列陣，其計(jì)算式為： （27） 式中為單元上的體積力移植到結(jié)點(diǎn)上的等效結(jié)點(diǎn)力；為單元上的表面力移植到結(jié)點(diǎn)上的等效結(jié)點(diǎn)力；則為結(jié)點(diǎn)集中力。 4.集合所用單元的平衡方程，建立整個(gè)結(jié)構(gòu)的平衡方程 這個(gè)幾何過(guò)程包括由兩個(gè)方面的內(nèi)容:(1）將各個(gè)單元的剛度矩陣集合成整個(gè)結(jié)構(gòu)的整體剛度

33、矩陣；（2)將作用于各個(gè)單元的等效結(jié)點(diǎn)力列陣集合成總的載荷列陣。最常用的集合剛度矩陣的方法是直接剛度法。一般說(shuō)來(lái)，集合所依據(jù)的理由是要求所用相鄰的單元在公共結(jié)點(diǎn)的位移相等，于是得到以整個(gè)剛度矩陣、載荷列陣以及整個(gè)物體結(jié)點(diǎn)位移列陣表示的整個(gè)結(jié)構(gòu)的平衡方程: （28） 這些方程還應(yīng)考慮幾何邊界條件作適當(dāng)?shù)男薷模ㄏ齽偠任灰?之后，才能解出所有的未知結(jié)點(diǎn)位移.求解未知結(jié)點(diǎn)位移和計(jì)算單元應(yīng)力由集合起來(lái)的平衡方程組解出未知位移.在線性平衡問(wèn)題中，可以根據(jù)方程組的具體特點(diǎn)選擇合適的計(jì)算方法。5.利用和以及己經(jīng)求出的結(jié)點(diǎn)位移計(jì)算各個(gè)單元的應(yīng)變和應(yīng)力，加以整理得出所需要的結(jié)果.2.3幾何非線性和材料非線性的有

34、限元方法固體力學(xué)中有三組基本方程，即本構(gòu)方程(物理方程)、幾何方程和平衡方程。經(jīng)典線性理論基于三個(gè)基本假定，即材料的應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系滿足廣義胡克定律；變形是微小的;約束是理想約束,這些假定使得三組基本方程成為線性。只要研究對(duì)象不能滿足線性問(wèn)題基本假定中任何一個(gè)時(shí),就轉(zhuǎn)化為各種非線性問(wèn)題。2。3.1幾何非線性分析的有限元方法所謂幾何非線性問(wèn)題是指，受荷載后結(jié)構(gòu)或構(gòu)件相對(duì)于受荷載之前的自然狀態(tài)有比較大的線位移和角位移，其量級(jí)相對(duì)于原結(jié)構(gòu)尺寸是不可忽略的。但結(jié)構(gòu)內(nèi)各點(diǎn)的應(yīng)變值并不大，這時(shí)單元的剛度矩陣K是節(jié)點(diǎn)位移u的函數(shù)，即因結(jié)構(gòu)經(jīng)受大變形，結(jié)構(gòu)幾何形狀的變化引起結(jié)構(gòu)響應(yīng)的非線性。它包括大應(yīng)變問(wèn)題、小

35、應(yīng)變大撓度問(wèn)題、應(yīng)力剛化問(wèn)題、旋轉(zhuǎn)軟化問(wèn)題。幾何非線性有限元方法,就是象線性有限元法一樣，根據(jù)能量變分原理和虛功原理,并利用基本方程建立以節(jié)點(diǎn)位移為未知量的非線性有限元方程。1。 總體拉格朗日列式法(Total Lagrangian Formulation)任何變形體在空間上都占據(jù)一定的區(qū)域,構(gòu)成一定的形狀，這種幾何形狀簡(jiǎn)稱為構(gòu)形.物體在問(wèn)題求解開(kāi)始時(shí)的構(gòu)形稱為初始構(gòu)形,在任一瞬時(shí)的構(gòu)形稱為現(xiàn)時(shí)構(gòu)形，物體位移的改變叫運(yùn)動(dòng)。如果在整個(gè)分析過(guò)程中,以t=0時(shí)的構(gòu)形作為參考，且參考構(gòu)形保持不變,這種列式稱為總體拉格朗日列式（T.L列式)。對(duì)于任意應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系與幾何運(yùn)動(dòng)方程，桿系單元的平衡方程可由虛

36、功原理推導(dǎo)可得到： （29）式中單元的應(yīng)力向量;f單元的桿端力向量；V：?jiǎn)卧w積積分域，對(duì)T.L。格式是變形前的積分域；應(yīng)變矩陣，是單元應(yīng)變與節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系矩陣，即 (210）桿端位移向量； 直接按式（(211)建立單元?jiǎng)偠确匠滩⒔⒔Y(jié)構(gòu)有限元列式，稱為全量列式法。在幾何非線性分析中,按全量列式法得到的單元?jiǎng)偠汝嚭徒Y(jié)構(gòu)剛度陣往往是非對(duì)稱的，對(duì)求解不利。因此多采用增量列式法。將式（29)寫(xiě)成微分形式: (211) 通過(guò)推導(dǎo)可以得到增量形式T.L列式的單元平衡方程如下： (2-12）式中是三個(gè)剛度陣之和，稱為單元切線剛度矩陣，它表示荷載增量與位移增量之間的關(guān)系,也可理解為單元在特定應(yīng)力、變形下的瞬

37、時(shí)剛度。與單元節(jié)點(diǎn)位移無(wú)關(guān)，是單元彈性剛度矩陣.稱為單元初位移剛度矩陣或單元大位移剛度矩陣，是由大位移引起的結(jié)構(gòu)剛度變化，是的函數(shù)。稱為初應(yīng)力剛度矩陣，它表示初應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響,當(dāng)應(yīng)力為壓應(yīng)力時(shí)，單元切線剛度減小，反之單元切線剛度增加。將各單元切線剛度方程按節(jié)點(diǎn)力平衡條件組集成結(jié)構(gòu)增量剛 (2-13）式中:為結(jié)構(gòu)切線剛度矩陣,可以由單元切線剛度矩陣按常規(guī)方法進(jìn)行組集形成；為荷載增量，由于荷載增量一般取為有限值而不可能取成微分形式，結(jié)構(gòu)在求得的位移狀態(tài)下，抗力與總外荷載之間有一差量,即失衡力，結(jié)構(gòu)必須產(chǎn)生相對(duì)位移以改變結(jié)構(gòu)的抗力來(lái)消除這個(gè)失衡力。在計(jì)算中，一般通過(guò)迭代法來(lái)求解。2. 更新的拉

38、格朗日列式法（Updated Lgragia Formulation) 在建立時(shí)刻物體平衡方程時(shí)，如果我們選擇的參照構(gòu)形不是未變形狀態(tài)t=0時(shí)的構(gòu)形，而是最后一個(gè)已知平衡狀態(tài),即以本增量步起始時(shí)的t時(shí)刻構(gòu)形為參照構(gòu)形,這種列式法稱為更新的拉格朗日列式法（U.L。列式)。 由于采用了U.L列式，平衡方程式(（2-11）中的積分須在t時(shí)刻單元體積內(nèi)進(jìn)行，且的積分式是的一階或二階小量，因此代表的積分式可以略去.這是U.L列式與T。L列式的一個(gè)重要區(qū)別。最后增量形式的U。 L列式平衡方程可寫(xiě)成： (214）2.3.2材料非線性分析的有限元方法凡是在本構(gòu)關(guān)系中放棄材料線性關(guān)系假定的理論，均屬材料非線性范

39、疇.由于材料本身的非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系（即虎克定律不成立)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生永久變形的特性稱為材料非線性,其包括彈塑性分析、蠕變分析、超彈性分析,本文特指彈塑性分析。對(duì)大多數(shù)工程材料(如鋼材、鋼筋混凝土)，當(dāng)應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是線性的，材料表現(xiàn)出彈性行為，卸載后應(yīng)變也完全消失。當(dāng)材料中的應(yīng)力超過(guò)屈服強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為非線性,這時(shí)有塑性應(yīng)變發(fā)生。塑性是材料在一定荷載下產(chǎn)生永久變形的屬性，這時(shí)即使完全卸載仍會(huì)有殘余應(yīng)變，即變形不會(huì)完全消失.在應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線中,低于屈服強(qiáng)度的部分稱為彈性部分,超過(guò)屈服強(qiáng)度的部分稱為塑性部分(又稱為應(yīng)變強(qiáng)化部分)。在塑性分析中必須考慮塑性區(qū)域的特性。

40、當(dāng)材料處于塑性狀態(tài)時(shí)，須采用塑性力學(xué)方法對(duì)問(wèn)題進(jìn)行求解。1.有限元平衡方程 在彈塑性增量理論中，討論仍限于小變形情況。于是,其應(yīng)變位移幾何運(yùn)動(dòng)方程和平衡方程相同于線性問(wèn)題，不需要作任何變動(dòng)。需要改變的只是在塑性區(qū)范圍內(nèi)用塑性材料的本構(gòu)關(guān)系矩陣代替原來(lái)的彈性系數(shù)矩陣因此，可直接得到彈塑性分析有限元平衡方程： （2-15） （2-16) (217）式中和分別表示與結(jié)構(gòu)面荷載f及體荷載t對(duì)應(yīng)的等效節(jié)點(diǎn)力增量；為節(jié)點(diǎn)集中外荷載增量；為初應(yīng)力或初應(yīng)變?cè)隽恳鸬耐夂奢d增量.公式（215）(2-16）給出了小變形彈塑性分析的有限元方程，式中代表了荷載與位移增量的切線剛度矩陣,隨不同加載歷程而變化。2。屈服條

41、件在單向拉伸和壓縮時(shí)，初始彈性狀態(tài)的界限，就是拉壓屈服應(yīng)力.在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，初始彈性狀態(tài)的界限成為屈服條件。目前工程中經(jīng)常使用的屈服條件有兩個(gè)，其一是屈瑞斯加（Tresca）屈服條件,即假定最大剪應(yīng)力達(dá)到某一極限值時(shí)，材料開(kāi)始屈服，相當(dāng)于材料力學(xué)中的第三強(qiáng)度理論。其二是米賽斯（Von-Mises）屈服條件，即假定應(yīng)力偏量張量的第二不變量達(dá)到某一極限時(shí)，材料開(kāi)始屈服,相當(dāng)于材料力學(xué)中的第四強(qiáng)度理論。應(yīng)當(dāng)指出,上述兩個(gè)屈服條件是以各向同性材料為前提的，事實(shí)上屈服條件到目前已經(jīng)有了許多模型，例如希爾(Hill)的正交各向異性屈服準(zhǔn)則以及近期的復(fù)合材料屈服準(zhǔn)則等等。3.強(qiáng)化準(zhǔn)則強(qiáng)化準(zhǔn)則描述了初始屈服

42、準(zhǔn)則隨著塑性應(yīng)變的增加是怎樣發(fā)展的。強(qiáng)化準(zhǔn)則主要分等向強(qiáng)化和隨動(dòng)強(qiáng)化兩種。 圖21 等向強(qiáng)化 圖2-2 隨動(dòng)強(qiáng)化等向強(qiáng)化是指屈服面以材料中所作塑性功的大小為基礎(chǔ)在尺寸上擴(kuò)張.對(duì)Von-Mises屈服準(zhǔn)則來(lái)說(shuō),屈服面在所有方向均勻擴(kuò)張.見(jiàn)圖21等向強(qiáng)化模型在受壓方向的屈服應(yīng)力等于受拉方向過(guò)程中所達(dá)到的最高應(yīng)力。隨動(dòng)強(qiáng)化假定屈服面的大小保持不變而僅在屈服的方向上移動(dòng)，當(dāng)某個(gè)方向的屈服應(yīng)力升高時(shí),其相反方向的屈服應(yīng)力應(yīng)該降低（如圖2-2）。2.4非線性有限元方程的解法用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)非線性分析，其控制方程最終是一組非線性代數(shù)方程.非線性代數(shù)方程組的求解方法很多，其選擇往往與物理問(wèn)題的性質(zhì)、特點(diǎn)、非

43、線性程度、對(duì)計(jì)算結(jié)果的要求以及計(jì)算機(jī)的容量、計(jì)算速度等因素有關(guān)。常用的方法：牛頓一萊布遜法(NR法)、修正的NR法.2。4.1牛頓一萊布遜法對(duì)于式(2-18）給出的單自由度非線性平衡方程： (218）采用牛頓下山法，將在點(diǎn)展開(kāi)成Taylor級(jí)數(shù)，取線性近似公式： (2-19）求非線性方程式(2-13）的根可按如下公式進(jìn)行迭代計(jì)算： （220） （221）單自由度非線性剛度方程一般為: （2-22） (223)將式（223）帶入式（219)有： (224）對(duì)上式求導(dǎo)，并注意到0,得 （2-25)上式即為體系在處的切線剛度表達(dá)式。求的相應(yīng)迭代公式為: (2-26)為失衡力,式（2-26）即為N-R

44、法求解非線性問(wèn)題的最簡(jiǎn)單形式，其收斂形式如圖2-3所示。對(duì)于多自由度體系，同樣可以導(dǎo)出相應(yīng)的迭代式: (2-27）2.4.2修正的NR法由式（2-20）可見(jiàn)，NR法在每次迭代后都要重新形成,對(duì)于大型結(jié)構(gòu)進(jìn)行這一過(guò)程很費(fèi)機(jī)時(shí)。為了減少形成總剛及其三角化分解的次數(shù)，有時(shí)用代替,這樣，僅進(jìn)行一次切線剛度陣和三角化分解計(jì)算，后面的迭代只是線性方程組的回代，這種方法稱為修正的NR法（M .N 。R法）。圖24給出了該方法的迭代過(guò)程。M 。N 。R法在每次迭代中均用同一斜率，收斂較N-R法差。圖23 NR法的迭代過(guò)程 圖2-4 修正的NR法迭代過(guò)程2.5ANSYS軟件介紹2.5。1 ANSYS軟件功能介紹

45、 ANSYS軟件7是美國(guó)ANSYS公司研制的大型通用有限元分析軟件。它是世界范圍內(nèi)增長(zhǎng)最快的CAE軟件,能夠進(jìn)行包括結(jié)構(gòu)，熱,聲，流體以及電磁場(chǎng)等問(wèn)題的研究，在核工業(yè)，鐵道，石油化工,航天航空,機(jī)械制造，能源,汽車(chē)交通，國(guó)防軍工，電子，土木工程，造船，生物醫(yī)學(xué)，清宮，地礦,水利，日用家電等領(lǐng)域有著廣泛地應(yīng)用。ANSYS的功能強(qiáng)大，操作簡(jiǎn)單方便，現(xiàn)在它已成為國(guó)際最流行的有限元分析軟件，在歷年FEA評(píng)比中都名列第一，目前，中國(guó)100多所理工院校采用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析或者作為標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)軟件。ANSYS軟件主要包括3個(gè)部分：前處理模塊、求解模塊和后處理模塊。1. 前處理模塊：前處理模塊提供了一

46、個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型。2。 求解模塊：分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線形分析,非線形分析和高度非線形分析），流體動(dòng)力學(xué)分析，電磁場(chǎng)分析，聲場(chǎng)分析，壓電分析以及物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬各種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力.3. 后處理模塊:后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示，梯度顯示,矢量顯示，粒子流跡顯示，立體切片顯示,透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來(lái)，也可將結(jié)果以圖表，曲線形式顯示或輸出。 軟件提供了100種以上的單元類(lèi)型,用來(lái)模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。該軟件有多種版本,可以運(yùn)行在從個(gè)人機(jī)到大型機(jī)的多種計(jì)算機(jī)

47、設(shè)備上,如PC，SGI,HP，SUN，IBM,CRAY等. 啟動(dòng)ANSYS后，進(jìn)入歡迎畫(huà)面以后，程序停留在開(kāi)始平臺(tái).從開(kāi)始平臺(tái)（主菜單）可以進(jìn)入各種處理模塊：前處理，求解模塊，后處理.用戶的指令可以通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊菜單項(xiàng)，選取和執(zhí)行，也可以在命令輸入窗口通過(guò)鍵盤(pán)輸入。命令一經(jīng)執(zhí)行，該命令就會(huì)在。LOG文件中列出，打開(kāi)輸出窗口可以看到。LOG文件的內(nèi)容,如果軟件運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題,查看LOG文件中的命令流及其錯(cuò)誤提示，將有助于快速發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的根源。LOG文件的內(nèi)容可以略作修改存到一個(gè)批處理文件中，在以后進(jìn)行同樣工作時(shí)，由ANSYS自動(dòng)讀入并執(zhí)行,這是ANSYS軟件的第三種命令輸入方式。這種命令方式在進(jìn)

48、行某些重復(fù)性較高的工作時(shí)，能有效的提高工作速度。2.5.2 ANSYS軟件提供的分析類(lèi)型1 結(jié)構(gòu)靜力分析用來(lái)求解外載荷引起的位移，應(yīng)力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)的影響別不顯著的問(wèn)題。ANSYS程序中的靜力分析不僅可以進(jìn)行線形分析，而且也可以進(jìn)行非線形分析，如塑性，蠕變，膨脹，大變形，大應(yīng)變及接觸分析。2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析用來(lái)求解隨時(shí)間變化的載荷對(duì)結(jié)構(gòu)或部件的影響。與靜力分析不同，動(dòng)力分析要考慮隨時(shí)間變化的力載荷以及它對(duì)阻尼和慣性的影響。ANSYS可進(jìn)行的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析類(lèi)型包括：瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析及隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析。3 結(jié)構(gòu)非線性分析 結(jié)構(gòu)非線性導(dǎo)致

49、結(jié)構(gòu)或部件的響應(yīng)隨外載荷不成比例變化.ANSYS程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問(wèn)題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。4 動(dòng)力學(xué)分析 ANSYS程序可以分析大型三維柔體運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)的積累影響起主要作用時(shí)，可使用這些功能分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在空間中的運(yùn)動(dòng)特性，并確定結(jié)構(gòu)中由此產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和變形。5 熱分析程序可處理熱傳遞的三種基本類(lèi)型：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射.熱傳遞的三種類(lèi)型均可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過(guò)程的相變分析能力以及模擬熱與結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的熱結(jié)構(gòu)耦合分析能力。此外還有電磁場(chǎng)分析，流體動(dòng)力學(xué)分析,聲場(chǎng)分析,壓電分析等。2.6本章小結(jié)本章主要介紹了有限單

50、元法的基本原理和其解決問(wèn)題的優(yōu)越性以及求解問(wèn)題的基本思路，并對(duì)非線性材料做了比較詳細(xì)的介紹，給出了材料發(fā)生塑性變形的通用屈服標(biāo)準(zhǔn)，VonMises屈服準(zhǔn)則和強(qiáng)化準(zhǔn)則。并針對(duì)本文非線性靜力分析的特點(diǎn)，給出了本文非線性問(wèn)題分析的求解方法.第三章 鋼框架模型的建立3.1模型建立利用ANSYS求解首先要進(jìn)行實(shí)體建模，利用X，Y,Z三個(gè)方向的坐標(biāo)確定關(guān)鍵點(diǎn)，再由關(guān)鍵點(diǎn)連成面，然后再把面粘在一起形成體(如圖3-1所示)。 圖3-1 門(mén)式剛架的ANSYS模型3。2單元選擇建完ANSYS模型后，需要選擇合適的單元進(jìn)行下面分析。本課題我選用的是SHELL181單元。有限應(yīng)變殼.適用SHELL181于分析薄到中厚

51、的殼體。該單元為4節(jié)點(diǎn)單元,每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有六個(gè)自由度： x、y、z 方向和繞x、y和z 軸的方向。脫化的三角形選項(xiàng)只能在產(chǎn)生網(wǎng)格以后用作填充單元。該單元尤其適用于線性，大旋轉(zhuǎn)和大應(yīng)變非線性分析。在非線性分析中，可以計(jì)算出殼厚度的變化.在單元范圍內(nèi)，支持完全和簡(jiǎn)化的積分制度。SHELL181還能解決分布力的附加影響。在SHELL43遇到收斂困難時(shí)，可以用SHELL181來(lái)代替12.圖3-2 SHELL181單元幾何圖示 （31)其中形函數(shù)為：;；，為節(jié)點(diǎn)在,方向的位移；為板單元的等效厚度;為節(jié)點(diǎn)的板厚。此類(lèi)單元對(duì)應(yīng)的數(shù)值積分公式為：式中，為積分函數(shù);，是加權(quán)因子;，為高斯積分點(diǎn)的個(gè)數(shù);為高斯積分點(diǎn)

52、的位置。3.3材料屬性該實(shí)體模型采用理想彈塑性模型，鋼，屈服強(qiáng)度=235，泊松比=0.3,楊氏彈性模量=206000,如圖33所示。圖33 材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系3.4網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分是建立有限元模型的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它要求考慮的問(wèn)題較多，需要的工作量較大，所劃分的網(wǎng)格形式對(duì)計(jì)算精度和計(jì)算規(guī)模將產(chǎn)生直接影響。為建立正確、合理的有限元模型，這里介紹劃分網(wǎng)格時(shí)應(yīng)考慮的一些基本原則。1、網(wǎng)格數(shù)量網(wǎng)格數(shù)量的多少將影響計(jì)算結(jié)果的精度和計(jì)算規(guī)模的大小。一般來(lái)講，網(wǎng)格數(shù)量增加，計(jì)算精度會(huì)有所提高,但同時(shí)計(jì)算規(guī)模也會(huì)增加，所以在確定網(wǎng)格數(shù)量時(shí)應(yīng)權(quán)衡兩個(gè)因數(shù)綜合考慮。網(wǎng)格較少時(shí)增加網(wǎng)格數(shù)量可以使計(jì)算精度明顯提高,而計(jì)算

53、時(shí)間不會(huì)有大的增加.當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加到一定程度后，再繼續(xù)增加網(wǎng)格時(shí)精度提高甚微，而計(jì)算時(shí)間卻有大幅度增加.所以應(yīng)注意增加網(wǎng)格的經(jīng)濟(jì)性。實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以比較兩種網(wǎng)格劃分的計(jì)算結(jié)果，如果兩次計(jì)算結(jié)果相差較大，可以繼續(xù)增加網(wǎng)格，相反則停止計(jì)算。在決定網(wǎng)格數(shù)量時(shí)應(yīng)考慮分析數(shù)據(jù)的類(lèi)型。在靜力分析時(shí)，如果僅僅是計(jì)算結(jié)構(gòu)的變形，網(wǎng)格數(shù)量可以少一些。如果需要計(jì)算應(yīng)力,則在精度要求相同的情況下應(yīng)取相對(duì)較多的網(wǎng)格。同樣在響應(yīng)計(jì)算中,計(jì)算應(yīng)力響應(yīng)所取的網(wǎng)格數(shù)應(yīng)比計(jì)算位移響應(yīng)多。在計(jì)算結(jié)構(gòu)固有動(dòng)力特性時(shí)，若僅僅是計(jì)算少數(shù)低階模態(tài),可以選擇較少的網(wǎng)格，如果計(jì)算的模態(tài)階次較高,則應(yīng)選擇較多的網(wǎng)格.在熱分析中，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度梯

54、度不大，不需要大量的內(nèi)部單元，這時(shí)可劃分較少的網(wǎng)格。2、網(wǎng)格疏密網(wǎng)格疏密是指在結(jié)構(gòu)不同部位采用大小不同的網(wǎng)格，這是為了適應(yīng)計(jì)算數(shù)據(jù)的分布特點(diǎn).在計(jì)算數(shù)據(jù)變化梯度較大的部位（如應(yīng)力集中處)，為了較好地反映數(shù)據(jù)變化規(guī)律，需要采用比較密集的網(wǎng)格。而在計(jì)算數(shù)據(jù)變化梯度較小的部位,為減小模型規(guī)模,則應(yīng)劃分相對(duì)稀疏的網(wǎng)格。這樣，整個(gè)結(jié)構(gòu)便表現(xiàn)出疏密不同的網(wǎng)格劃分形式。采用疏密不同的網(wǎng)格劃分，既可以保持相當(dāng)?shù)挠?jì)算精度，又可使網(wǎng)格數(shù)量減小。因此，網(wǎng)格數(shù)量應(yīng)增加到結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，在次要部位增加網(wǎng)格是不必要的，也是不經(jīng)濟(jì)的。劃分疏密不同的網(wǎng)格主要用于應(yīng)力分析（包括靜應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)力),而計(jì)算固有特性時(shí)則趨于采用較均勻的鋼格形式.這是因?yàn)楣逃蓄l率和振型主要取決于結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布和剛度分布，不存在類(lèi)似應(yīng)力集中的現(xiàn)象，采用均勻網(wǎng)格可使結(jié)構(gòu)剛度矩陣和質(zhì)量矩陣的元素不致相差太大,可減小數(shù)值計(jì)算誤差.同樣，在結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)計(jì)算中也趨于采用均勻網(wǎng)格。本模型對(duì)網(wǎng)格單元大小進(jìn)行了尺寸上的設(shè)置，將網(wǎng)格單元大小定義為0。2m，如圖3-4所示圖34 網(wǎng)格劃分3.5約束與