圆钢管焊接空心球节点承载力和实用设计方法的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 焊接空心球节点的研究开始于60年代，随着80年代网架的大量使用 和推广，有关的科研逐渐多起来，并逐渐开始进入了全面而深入的研究阶 段，以1981年网架结构设计与施工规程的制定颁布为标志，1995年网架规 程的再版达到研究巅峰，此后少有对球节点的大规模和全面研究。2003年 网壳结构设计规程的制定颁布。1995年后的10年间中国钢结构事业发生了 翻天覆地的变化，08北京奥运场馆设计是这一高潮的代表。在短短10余年 的时间里，钢结构的形式和体系都有了很大的创新和突破，建筑的样式和 形式更是新、怪、异：此时的设计规程已经远远不能满足实际工程建设的 需要，科研成果的出现也远远落后于生产实践。因此，迫切需要对一些已 有的老问题在新背景下做一些新研究，需要对原有的设计规程作进一步的 改版和完善。正是在这样的背景下，作为国家空间网格结构技术规程的子 课题，本文的研究：“焊接空心球节点承载力与实用设计方法研究”才被提 出来，也可谓是科研领域的“老树发新芽”。 本文研究的核心和目标是：满足现行网架、网壳规程要求的轴压空心 球节点承载力是否与球体钢材的强度指标有关?受压球节点的破坏模态到 底是强度破坏，还是稳定破坏?现行的网架、网壳规程的受拉、压承载力 设计公式的验证与完善。 针对上述研究目的，本文从有限元计算分析、理论分析和试验研究3 个方向出发，借助概率数理统计分析1个数学工具，进行了以下几个方面 的研究工作： 有限元计算分析：阐述了薄壳弹塑性分析的基本理论，建立了适合本 文研究的材料和几何双非线性有限元计算模型，并利用前人的试验结果和 有限元分析数据，校验了本文有限元计算模型和计算方法的适用性：提出 了适于有限元分析的极限承载力判定准则；对67组球节点进行了全过程受 力分析，考察节点球面应力、应变分布规律等受力行为，透彻地分析了球 节点的破坏机理，尤其是受压球节点的破坏机理；提出了破坏控制面的概 念，解答了受压破坏球节点的破坏模式是强度破坏，还是稳定破坏的问题； 圆钢管焊接空心球节点承载力与实用设计方法研究 通过对控制面上的应力特征进行的深入研究，得到了控制面控制应力是竖 向剪应力这一重要而有意义的结论；分析了影响节点承载力的绝对参数和 无量纲参数的关系，确定了影响的主要参数，为后续章节的研究做了铺垫； 最后，通过计算得到了不同节点规格在钢材理想弹塑性和弹塑性带线性强 化模型下的极限和屈服承载力，同种规格节点在Q235B和Q345B材质下 的极限承载力，这些都为本文研究目标的实现和后续实用计算方法的回归 公式的提出提供了强有力的数据支撑。 理论分析：利用正交设计法和概率统计的直观分析和F检验法，分析 了影响受拉、受压球节点屈服和极限承载力的几何和力学参数的影响显著 性问题，从理论上确定了承载力的影响因子，从而回答了球体钢材的强度 指标是否与受压承载力有关的问题，验证了有限元对球体破坏机理的分析 结论，并为后续简化理论分析和实用设计公式的建立提供了函数自变量选 取的依据；依据冲切原理和能量法原理，对球节点的极限承载力进行了理 论分析，通过和试验结果、有限元分析结果的比照，验证了理论分析的正 确性，为有限元分析结论提供了理论保证。 破坏性试验研究：对2种规格2种材质的20个球节点进行了对比型的 破坏性试验，直观地了解球节点的破坏模态，印证了有限元和理论对破坏 机理的分析，检验了有限元和理论分析的计算结果，为有限元分析和理论 分析提供了试验论证；每种工况2～3组试验规避了试验数据的离散对研究 结论带来的偏差；破坏性试验研究也为网架、网壳规程公式和本文建议公 式的适用性、安全可靠性的检验提供了准确的试验数据。 承载力实用计算方法：在有限元分析、理论研究和试验论证基础上， 采用概率统计分析手段，以极限承载力数据下包络线为目标，提出了更加 合理和科学的承载力实用计算公式；运用以往63组试验数据和20组本文 试验数据，在概率统计的意义上进行对比分析，验证了本文建议公式的适 用性、合理性、经济性和安全可靠性，同时，利用统计分析原理对本文建 议公式在由500’由900球径范围内的适用性进行了论证分析；本文建议公式 的提出不但可以应用于实际工程的设计，也可为即将颁布的国家空间网格 结构技术规程的制定提供依据。 关键词：焊接空心球节点，圆钢管，破坏机理，承载能力，非线性有限元， 试验研究，实用计算公式