本发明专利技术属于建筑技术领域的一种钢结构梁柱非线性半刚性节点结构的简化数值模拟方法,基于ANSYS建立有限元实体模型,根据实体模型提取出节点处的弯矩转角曲线和梁端荷载位移曲线;基于ANSYS中的COMBIN39单元模拟梁柱节点处总变形;根据有限元实体模型建立等效的简化模型,通过ANSYS中的COMBIN39单元模拟节点的旋转能力,将实体模型提取出节点处的弯矩转角曲线赋予COMBIN39单元,并对简化模型施加与有限元实体模型一样的边界条件和荷载,得到梁端的荷载位移曲线;对得到的数据进行分析并验证。钢结构梁柱非线性半刚性节点实体单元通过基于ANSYS的combination单元进行模拟,极大的减少了建模的网格数量和接触设置的复杂度,同时保证了研究的可靠性与真实性。时保证了研究的可靠性与真实性。时保证了研究的可靠性与真实性。
【技术实现步骤摘要】
钢结构梁柱非线性半刚性节点结构的简化数值模拟方法
[0001]本专利技术涉及建筑
,具体涉及一种钢结构梁柱非线性半刚性节点结构的简化数值模拟方法。
技术介绍
[0002]梁柱连接节点作为结构连接的主要部分,负责传递轴力、剪力和弯矩。其连接的力学性能很大程度决定了结构的变形能力。目前,梁柱连接节点的设计普遍简化为刚性连接或铰接连接。而实际上完全刚接和理想铰接是不存在的。当采用完全刚接进行设计时,将高估由梁端传到柱的负弯矩而低估梁的跨中弯矩;当采用理想铰接进行设计时,将低估由梁端传到柱的负弯矩而高估梁的跨中弯矩。半刚性连接对结构受力性能有明显影响。
[0003]现阶段国内外学者对各种形式半刚性节点的力学性能进行了很多试验及理论分析,中国端板式半刚性连接钢结构技术规程(CECS260:2009)和钢结构设计手册对特定形式的半刚性节点提出了初始转动刚度、承载力、转动能力和挠度的近似方法。中国《钢结构设计标准》对半刚性节点的设计相关规定仅为:梁柱采用半刚性连接时,应计入梁柱交角变化的影响,在内力分析时,应假定连接的弯矩
‑
转角曲线,并在节点设计时,保证节点的构造与假定的弯矩
‑
转角曲线符合。可见中国半刚性节点的设计仍未推广开来,主要是因为现主流的结构设计软件(YJK、PKPM等)均不能实现非线性半刚性节点的设计,且没有相关的计算公式能计算应用半刚性节点后的内力,而使用有限元软件进行实体建模设计,则需要消耗大量的时间与精力对模型的每个部件和接触进行设置,且其修改模型较为麻烦、计算时间长以及接触带来的非线性因素导致收敛计算变得复杂,也不能方便的求得内力图,很难适用于整栋楼的设计。
[0004]针对钢结构梁柱半刚性节点的力学性能已经进行了大量且充分的研究,但结构设计类软件却没有半刚性节点相应的实现方法。因此,亟需一种钢结构梁柱非线性半刚性节点结构的简化数值模拟方法,以解决上述问题。
技术实现思路
[0005]本专利技术旨在解决现有技术中存在的技术问题。为此,本专利技术提供一种钢结构梁柱非线性半刚性节点结构的简化数值模拟方法。
[0006]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0007]提供一种钢结构梁柱非线性半刚性节点结构的简化数值模拟方法,包括以下步骤:
[0008]步骤S1,基于ANSYS建立的半刚性节点的有限元实体模型,并提取有限元出实体模型中节点处的弯矩转角曲线和梁端的载荷位移曲线;
[0009]步骤S2,根据有限元实体模型建立等效的有限元简化模型,并通过ANSYS中的COMBIN 39单元模拟节点的转动能力;
[0010]步骤S3,将步骤S1中从有限元实体模型中提取出节点处的弯矩转角曲线赋予
COMBIN39单元,并对有限元简化模型施加与有限元实体模型一样的边界条件,以及对有限元简化模型施加与有限元实体模型相同荷载;
[0011]步骤S4,比较有限元实体模型与简化模型的梁端的荷载位移曲线;
[0012]步骤S5,对得到的数据进行分析并进行验证;
[0013]步骤S6,验证有限元简化模型正确后,将该节点应用到框架结构的有限元简化模型中,并施加荷载,得到框架结构使用半刚性节点后的内力图,然后根据内力图的调整选择合适的半刚性节点完成梁柱设计。
[0014]在本专利技术的一种较佳实施例中,步骤S1中,通过设置实际的螺栓接触特性,在柱两端设置固定约束,梁端施加竖向荷载,提取梁柱节点处弯矩转角曲线,并提取梁端的荷载位移曲线,为之后的有限元简化模型提供数据支持和对比参照。
[0015]在本专利技术的一种较佳实施例中,步骤S1中,所述半刚性节点的弯矩转角曲线还可以通过基于钢结构梁柱半刚性节点的试验研究、理论计算得到。
[0016]在本专利技术的一种较佳实施例中,步骤S2中,所述有限元简化模型的建立方法如下:
[0017]步骤S21,基于ANSYS中的COMBIN 39单元模拟梁柱节点处的总变形;
[0018]步骤S22,基于ANSYS中的BEAM 189单元建立梁柱杆系模型,并在梁柱连接点建立长度为0的COMBIN 39连接单元,得到简化的钢结构梁柱半刚性节点的杆系模型,该模型即为有限元简化模型。
[0019]在本专利技术的一种较佳实施例中,步骤S21中,梁柱节点处的总变形包括螺栓受拉变形,柱腹板受压区的受压变形,柱腹板受拉区的受拉变形,柱腹板受剪区的剪切变形,柱翼缘受弯的弯曲变形。
[0020]在本专利技术的一种较佳实施例中,步骤S5中,对得到的数据进行分析并进行验证,包括:
[0021]通过对得到的数据进行分析可知,对于钢结构梁柱非线性半刚性节点,当连接受到荷载时,螺栓、柱腹板和柱翼缘均会产生变形,并对梁端位移产生影响,梁端的荷载位移基本重合,验证了实体模型的钢结构梁柱非线性半刚性节点可以通过基于ANSYS的combination单元进行模拟。
[0022]与现有技术相比,本专利技术的有益效果是:
[0023]本专利技术通过基于ANSYS的combination单元进行模拟当梁柱受到竖向荷载和水平荷载时,内力分布将不同于刚接与铰接的内力分布,且其内力没有计算公式,并验证了实体单元可以通过基于ANSYS的combination单元进行模拟,极大的减少了建模的网格数量和接触设置的复杂度,同时保证了研究的可靠性与真实性。
附图说明
[0024]为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其它的附图,其中:
[0025]图1是本专利技术提供的钢结构梁柱非线性半刚性节点结构的简化数值模拟方法的流程图;
[0026]图2是本专利技术提供的有限元实体模型示意图;
[0027]图3是本专利技术提供的COMBIN 39单元有限元简化模型示意图;
[0028]图4是本专利技术提供的半刚性节点处的简化示意图;
[0029]图5是本专利技术提供的有限元实体模型的弯矩转角曲线;
[0030]图6是本专利技术提供的COMBIN 39单元有限元简化模型与有限元实体模型的梁端位移结果对比图;
[0031]图7是本专利技术提供的刚接时钢框架弯矩图;
[0032]图8是本专利技术提供的应用非线性半刚性节点时钢框架弯矩图。
[0033]图中:
①
端板抗弯;
②
柱翼缘抗弯;
③
螺栓抗拉;
④
柱腹板抗剪;
⑤
柱腹板抗拉;
⑥
柱腹板抗压。
具体实施方式
[0034]下面将结合本专利技术实施例中的附图,对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅是本专利技术的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种钢结构梁柱非线性半刚性节点结构的简化数值模拟方法,其特征在于:包括以下步骤:步骤S1,基于ANSYS建立的半刚性节点的有限元实体模型,并提取出有限元实体模型中节点处的弯矩转角曲线和梁端的载荷位移曲线;步骤S2,根据有限元实体模型建立等效的有限元简化模型,并通过ANSYS中的COMBIN 39单元模拟节点的转动能力;步骤S3,将步骤S1中从有限元实体模型中提取出节点处的弯矩转角曲线赋予COMBIN39单元,并对有限元简化模型施加与有限元实体模型一样的边界条件,以及对有限元简化模型施加与有限元实体模型相同荷载;步骤S4,比较有限元实体模型与简化模型的梁端的荷载位移曲线;步骤S5,对得到的数据进行分析并进行验证;步骤S6,验证有限元简化模型正确后,将该节点应用到框架结构的有限元简化模型中,并施加荷载,得到框架结构使用半刚性节点后的内力图,然后根据内力图的调整选择合适的半刚性节点完成梁柱设计。2.根据权利要求1所述的钢结构梁柱非线性半刚性节点结构的简化数值模拟方法,其特征在于:步骤S1中,通过设置实际的螺栓接触特性,在柱两端设置固定约束,梁端施加竖向荷载,提取梁柱节点处弯矩转角曲线,并提取梁端的荷载位移曲线,为之后的有限元简化模型提供数据支持和对比参照。3.根据权利要求1所述的钢结构梁柱非线性半刚性节点结构的简化数值模拟方法,其特...
【专利技术属性】
技术研发人员:夏心红,方辉,邹岱珒,
申请(专利权)人:湖南省建筑设计院集团股份有限公司,
类型:发明
国别省市:
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