装配式钢框架梁柱节点有限元拓扑优化研究

作     者：张慕荣 

作者单位：河北工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李彦苍;吴春发

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 081402[工学-结构工程] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：钢框架 梁柱节点 栓焊连接 拓扑优化 有限元 

摘      要：现阶段很多国家正在推动装配式建筑发展。在多种建筑结构中,装配式钢框架结构具有很大的发展前景。而多次的地震震害表明,梁柱节点的强度和刚度对于钢框架结构的可靠性起着至关重要的作用。国内外的研究中大多以提高节点的性能为主,随着我国绿色可持续发展理念的深入,能在保证其强度、刚度的基础上,节约材料、降低成本,使结构更经济合理优质,更符合绿色建筑的理念。本文主要对装配式钢框架结构的梁柱节点进行拓扑优化研究,主要研究内容如下:首先,介绍了现阶段主要的钢框架梁柱节点的连接方式,分别进行受力分析,选出在刚度和强度方面具有优势的梁柱节点连接方式——栓焊连接节点,通过对比梁柱节点在我国规范中的验算内容,得出一般梁柱节点验算时的主要内容。其次,梁柱节点的拓扑优化属于连续体结构的拓扑优化,在多种连续体结构拓扑优化方法中选取几种常用的结构拓扑优化方法进行分析,了解连续体结构拓扑优化方法的优化特点及优化原理。再次,通过有限元软件对工程案例中的梁柱栓焊连接节点进行拓扑优化研究。主要过程包括:对原梁柱节点的三维模型建立和有限元分析,得到普通梁柱节点的受力云图和位移云图;对普通梁柱节点通过拓扑优化对其进行设计,在保证强度和刚度的情况下,遵循“强节点弱构件、“强柱弱梁的原则,实现梁柱节点的轻量化设计。最后,将优化后的梁柱节点的应力、位移与普通节点进行对比,对比分析结果表明,此次拓扑优化设计通过材料的重分布,不仅能满足节点的强度和刚度设计,而且节约了钢材、降低了成本,验证了拓扑优化的有效性和优越性,为钢框架梁柱节点的优化研究提供了新思路。