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铝合金蜂窝板单层组合网壳新型节点的理论分析及试验研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 网壳结构

1.1.2 铝合金结构的应用和发展

1.2 铝合金结构的研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 铝合金单层网壳结构的研究现状

1.3.1 铝合金单层网壳结构连接节点的研究现状

1.3.2 铝合金单层网壳结构的工程应用研究现状

1.4 本文的主要研究工作

参考文献

第二章 单层铝合金组合网壳新型节点的承载力试验研究

2.1 试验方案设计

2.1.1 试验背景及意义

2.1.2 试验目的

2.1.3 试件设计

2.1.4 支座及支撑设计

2.1.5 测点布置

2.1.6 加载装置及加载制度

2.2 构件材性试验

2.3 节点平面外受弯承载力试验

2.3.1 试验现象描述

2.4 试验结果分析

2.5 本章小结

参考文献

第三章 单层铝合金组合网壳新型节点的弹塑性有限元分析

3.1 单层铝合金网壳节点有限元模型的建立

3.1.1 新型节点(JD1)各部分的建模

3.1.2 各部分材料的本构关系

3.1.3 各部件装配及分析步设置

3.1.4 螺栓预紧力的接触模拟

3.1.5 节点各部分的接触模拟

3.1.6 网格划分

3.1.7 边界条件及加载方式

3.2 有限元分析结果

3.2.1 各部件的分析结果

3.2.2 节点的破坏模式

3.3 与传统节点的对比研究

3.3.1 JD2的有限元分析结果

3.4 有限元模拟和试验结果的对比分析

3.5 本章小结

参考文献

第四章 新型节点抗剪连接板的优化研究

4.1 单层铝合金网壳新型节点的非线性有限元分析

4.1.1 抗剪件模型的简化处理

4.1.2 单元类型的选取

4.1.3 本构关系的选取

4.1.4 螺栓预紧力的模拟

4.1.5 新型节点的接触模拟

4.1.6 网格划分

4.2 有限元分析结果

4.2.1 新型节点的受力状况及破坏形态

4.2.2 新型节点承载力的对比分析

4.3 本章小结

第五章 单层铝合金组合网壳新型节点承载力理论分析

5.1 H型铝合金梁的平面外抗弯承载能力

5.2 传统板式节点和新型节点的平面外承载力

5.2.1 传统板式节点的平面外承载能力

5.2.2 新型铝合金单层网壳节点的平面外承载力

5.3 节点的初始刚度及其和对比研究

5.4 本章小结

参考文献

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

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摘要

由于铝合金结构具有自重轻、耐腐蚀和易加工等诸多优点,尤其是大跨度的单层铝合金网壳结构,因其具备轻质高强和免维护等特点,备受建筑师和结构工程师的青睐,被广泛应用于各种空间结构领域,而节点是单层网壳结构中最为重要的连接部件,鉴于现有传统铝合金板式节点在节点区域未设置抗剪连接装置,铝合金梁的腹板在节点范围内不连续,致使该类节点仅靠被连接的上下翼缘提供有限的抗剪承载力,因而不能应用于对承载力要求更高的大跨度网壳结构。为此本文有针对性地首次在节点的中心位置,创新性地设计了一种承插式圆柱体抗剪装置,提出一种新型高承载力节点。为探究该新型节点的受力特点、承载能力和破坏机理,本文对新型节点开展了试验研究,结果表明,与传统的板式节点相比,该新型节点具有更高的承载能力,尤其是抗剪能力大幅提高,其整体刚度也有较大提升。主要研究内容和结论如下:
  (1)设计并精加工了六个铝合金节点试件,通过对新型节点与传统板式节点的对比试验,发现由于新型节点的中心区域设置了承插式圆柱体抗剪装置,显著提高了传统板式节点的抗剪能力和平面外抗弯承载力,增幅平均达50%以上。
  (2)三组不同类别的铝合金节点试验研究表明,传统板式节点的破坏模式为:下盖板的块状拉剪破坏或铝合金梁的弯曲破坏。新型节点的破坏模式则主要表现为被连接的铝合金梁的扭转屈曲破坏,仅当节点板的厚度较小时,才会发生下盖板的块状拉剪破坏。试件的荷载-位移曲线表明,与传统节点不同的是,新型节点的上下盖板厚度对其承载力影响不大。
  (3)新型节点(JD1)的理论承载力明显高于传统板式节点(JD2)增幅约为42.8%。有限元模拟分析得到的新型节点的破坏模式,与第二章节点试验中观察到的试验现象基本吻合。由新型节点(JD1、JD3、JD5)的荷载位移曲线对比可知,按弹塑性有限元分析给出的理论曲线,与节点试验的实测曲线吻合良好,两者的承载力平均误差在8.3%左右。新型节点中增加的抗剪装置与改善了盖板上螺栓受力状态,上盖板中的螺栓应力大于下盖板,但由于不锈钢螺栓的强度远高于铝合金盖板,因此并未发生螺栓的剪切破坏。盖板和铝合金梁的螺栓孔附近由于应力集中而产生了较大应力,其余部分除新型节点上翼缘的受压屈曲外均处于弹性状态。
  (4)通过对新型节点连接板的厚度及连接螺栓的数量和直径的参数化分析,在满足节点承载力的前提下进行了优化研究。结果表明,尽管节点的承载力随着连接板厚的增加而增大,但在超过梁腹板厚度后的增幅有限,因此建议与梁腹板等厚为宜。
  (5)在总结现有传统板式节点理论分析的基础上,给出了基于新型节点工作机理的极限承载力建议简化公式,并与本文和相关文献的试验结果进行了对比分析,指出了该理论公式的适用范围及修正建议。

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