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方钢管、矩形钢管焊接空心球节点的承载力与实用计算方法研究

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目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1空间结构概述

1.2焊接空心球节点的研究现状

1.2.1静力性能研究

1.2.2承载力公式

1.3论文研究背景

1.4论文主要研究内容

参考文献

第二章方钢管焊接空心球节点的弹性分析

2.1引言

2.2方钢管焊接空心节点的薄壳理论分析

2.2.1薄壳理论的基本方程

2.2.2方钢管焊接空心球壳的几何特征

2.3轴力作用下方钢管焊接空心球壳的弹性有限元分析

2.3.1轴力作用下方钢管焊接空心球壳沿厚度的应力分布规律

2.3.2轴力作用下方钢管焊接空心球壳典型剖面的应力分布规律

2.3.3轴力作用下方钢管焊接空心球壳典型剖面的变位

2.4本章小结

参考文献

第三章方钢管焊接空心球节点的弹塑性有限元分析

3.1引言

3.2弹塑性力学问题的基本方程

3.2.1弹塑性力学问题的平衡方程和几何方程

3.2.2弹塑性力学问题的物理方程

3.2.3弹塑性问题的增量分析有限元格式

3.3有限元计算模型

3.3.1有限元模型的选取

3.3.2材料属性的选取

3.3.3单元的选择

3.3.4网格划分疏密的考察

3.3.5几何非线性效应的影响

3.3.6拉压承载力的比较

3.4承受轴力作用的节点

3.4.1轴力作用下节点的应力分析

3.4.2轴力作用下节点极限承载力的参数分析

3.5承受单向纯弯作用的节点

3.5.1单向纯弯作用下节点的应力分析

3.5.2单向纯弯作用下节点极限承载力的参数分析

3.6承受轴力和单向弯矩共同作用的节点

3.7承受轴力和双向等弯矩共同作用的节点

3.7.1双向等弯矩作用的节点

3.7.2轴力和双向等弯矩共同作用的节点

3.8承受轴力和双向任意弯矩共同作用的节点

3.9本章小结

参考文献

第四章矩形钢管焊接空心球节点的弹塑性有限元分析

4.1引言

4.2有限元计算模型

4.3承受轴力作用的节点

4.3.1轴力作用下节点的应力分析

4.3.2轴力作用下节点极限承载力的参数分析

4.4承受单向纯弯作用的节点

4.4.1单向纯弯作用下节点的应力分析

4.4.2单向纯弯作用下节点极限承载力的参数分析

4.5承受轴力和单向弯矩共同作用的节点

4.6承受轴力和双向弯矩共同作用的节点

4.7本章小结

参考文献

第五章焊接空心球节点的试验研究

5.1引言

5.2试验模型设计

5.3加载方案及测点布置

5.4材性试验

5.5试验过程及试件破坏形态

5.5.1试件S1

5.5.2试件S2

5.5.3试件S3

5.5.4试件S4

5.5.5试件S5

5.5.6试件S6

5.5.7试件R1

5.5.8试件R2

5.5.9试件R3

5.5.10试件R4

5.6试验结果分析

5.6.1节点承载力分析

5.6.2球面应力分析

5.7试验的误差分析

5.8本章小结

参考文献

第六章方钢管焊接空心球节点承载力的简化理论解与实用计算公式

6.1引言

6.2轴力、轴力与单向弯矩共同作用下的节点承载力

6.2.1轴力作用下节点的简化理论解

6.2.2轴力与单向弯矩共同作用下节点的简化理论解

6.2.3实用公式和设计方法

6.3轴力与双向等弯矩共同作用下的节点承载力

6.3.1简化理论解

6.3.2实用公式和设计方法

6.4轴力和双向任意弯矩共同作用下节点承载力的简化计算

6.4.1基本思想

6.4.2以轴力进行设计的计算公式

6.4.3以弯矩进行设计的计算公式

6.4.4简化计算方法的验证

6.5本章小节

参考文献

第七章矩形钢管焊接空心球节点承载力的简化理论解与实用计算公式

7.1引言

7.2轴力作用下节点承载力的简化理论解

7.3轴力与单向弯矩共同作用下节点承载力的简化理论解

7.4行点承载力的实用公式和设计方法

7.5轴力和双向弯矩共同作用下节点承载力的简化计算

7.6本章小节

参考文献

第八章钢管受弯连接节点加强试验研究

8.1引言

8.2试验方案

8.2.1试验装置

8.2.2加载方式

8.3不同加强方式的方钢管受弯连接节点

8.3.1试件设计

8.3.2试件材料特性

8.3.3测点布置

8.3.4试验过程及试件破坏形态

8.3.5试验结果分析

8.4小强屈比钢材的贴板加强型方钢管受弯连接节点

8.4.1试件设计

8.4.2试件材料特性

8.4.3测点布置

8.4.3试验过程及试件破坏形态

8.4.4试验结果分析

8.5改进贴板加强的方钢管受弯连接节点

8.5.1试件设计

8.5.2试件材料特性

8.5.3测点布置

8.5.4试验过程及试件破坏形态

8.5.5试验结果分析

8.6改进贴板加强的圆钢管受弯连接节点

8.6.1试件设计

8.6.2试验过程及试件破坏形态

8.6.3试验结果分析

8.7本章小节

参考文献

第九章结论与展望

9.1本文主要结论

9.2进一步的研究工作

致谢

作者在攻读博士期间已发表和待发表的论文

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摘要

焊接空心球节点是网架、网壳中应用最广的节点形式之一,它具有构造简单、传力明确、连接方便等优点。在为2008年奥运会兴建的国家游泳馆中心的“水立方”工程中采用了配合正方形钢管、矩形钢管的焊接空心球节点,但目前的研究都针对配合圆钢管的焊接球节点,对配合方钢管和矩形钢管的焊接球节点尚无相关研究。本文采用有限元分析、试验研究以及简化理论解三条途径,系统研究这两种节点在轴力、弯矩以及二者共同作用下的受力性能和破坏机理,最终目标是建立其实用计算方法。 首先,本文在查阅大量国内外相关文献的基础上,较为详细地叙述了焊接空心球节点的发展过程与研究现状,总结了40多年来有关焊接空心球节点的承载力计算公式。指出了论文的研究背景,并明确论文的主要研究内容。 针对方钢管焊接空心球节点特有的几何特征定义了坐标体系,给出了它的计算模型,然后应用薄壳理论推导了壳体理论公式,根据计算模型和坐标体系,给出了壳体的连接条件和边界条件。由于方钢管焊接空心球壳薄壳理论公式比较复杂,应用解析法很难求得其解析解,最后采用有限元方法对其进行了弹性分析。 采用理想弹塑性应力—应变关系和Von-Mises屈服准则、同时考虑几何非线性的影响,建立了方钢管、矩形钢管焊接空心球节点的有限元分析模型,对影响方钢管、矩形钢管焊接空心球节点承载力的一些重要参数进行了深入分析。对轴力和弯矩共同作用的焊接空心球节点的研究表明,轴力—弯矩相关关系与节点的几何参数无关,这极大地简化了轴力与弯矩共同作用下节点承载力的计算方法。此外,分析了方钢管、矩形钢管焊接空心球节点在轴力、弯矩以及二者共同作用下的应力分布情况。 根据焊接空心球节点在荷载作用下的破坏具有冲剪破坏的特征,在冲切面上剪应力起控制作用的原理,推导了方钢管、矩形钢管焊接空心球节点在轴力、弯矩以及二者共同作用下的简化理论解,给出节点计算公式的初步形式。 为进一步深入了解方钢管、矩形钢管焊接空心球节点的受力性能和破坏机理,验证理论和有限元模型的正确性,对3种不同规格的10个焊接球节点(其中6个配合方钢管、4个配合矩形钢管)进行了试验研究。 综合简化理论解、有限元分析和试验结果,给出了方钢管、矩形钢管焊接空心球节点在轴力、弯矩以及二者共同作用下的实用计算公式,可供实际工程设计采用,也为相关规程的修订提供了依据。 此外,国家游泳中心多面体空间刚架的杆件与节点之间采用全熔透的对接焊缝连接。为避免焊缝脆性破坏先于钢材破坏,确保结构具有良好的延性,有必要对焊缝连接节点进行适当加强。对方钢管杆端承受弯矩的连接,在未加强全熔透焊缝连接的基础上,提出了贴板加强及厚管加强两种加强方式,并对这三种连接方式进行了低周反复荷载试验,结果表明贴板加强方式可有效改善节点的延性。在此基础上,根据试件的破坏形态,提出了一种改进贴板加强方式,并对采用改进贴板加强的圆钢管、方钢管受弯连接节点进行了低周反复荷载试验,验证了改进措施的有效性。 最后对上述研究工作与成果作了总结,提出了该研究领域的一些尚待解决的问题,指出了今后研究的方向和重点。

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