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

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 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 节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