大直径管桁架空间TT型相贯节点的极限承载力有限元分析

摘要

近年来，采用焊接相贯节点的钢管桁架结构广泛应用于空间大跨度结构中，钢管桁架在设计中的一个突出问题就是节点的承载力确定问题。欧美各国以及日本等国在管桁架节点的设计问题上研究较多，尤其对平面节点(包括方管和圆管)的静力承载力的研究已经趋向成熟，各国相继形成规范，然而在空间节点的问题上，各国的研究甚少，尚未形成成熟的节点设计公式。本文针对空间管桁架结构中的大直径TT型相贯节点的静力承载力问题进行研究，选取了120个节点形式作为研究对象，运用有限元分析的手段，研究节点的静力承载性能。
　　 本文利用ANSYS有限元程序实现了对钢管相贯节点的弹塑性非线性分析，跟踪结构在整个加载阶段各点的应力、应变变化过程，求出了节点的极限承载力。文章对不同几何参数的大直径管桁架空间TT型相贯节点进行了非线性有限元分析，计算了它们的极限承载力，研究了钢管节点的受力性能。将有限元计算结果与国内规范进行了比较，为规范的进一步修订提供参考。在非线性有限元求解过程中，考虑了网格精度、边界条件、材料特性等因素，使得到的极限承载力具有较高的工程精度。论文在对不同几何参数的TT型相贯节点进行大量算例分析的基础上，分析了各种参数对节点极限承载力的影响，获得了极限承载力随各几何参数的变化规律以及节点破坏模式，考察了主管所受荷载对极限承载力的影响，提出的结论和建议，可供工程设计人员和修订规范时参考。
　　 全文共分五章。第一章简要介绍了钢管结构的形式、特点、发展与应用，国内外研究现状及钢管相贯节点极限承载力的研究方法。第二章介绍了弹塑性理论和有限元基本理论。第三章使用有限元分析软件ANSYS建立了空间TT型圆钢管节点的有限元模型。第四章通过计算机模拟分析计算，得到改变各节点几何参数的极限承载力结果，分析各参数变化对节点极限承载力的影响。第五章对全文进行归纳总结，并指出钢管结构中还需要进一步研究和探讨的问题，展望了钢管结构广阔的发展前景。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1引言

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

1.2.2国内研究现状

1.3问题的提出

1.4本文研究的目的及主要内容

1.4.1本文研究的目的

1.4.2本文研究的主要内容

2节点分析的理论模型

2.1弹塑性基本理论

2.1.1弹性理论

2.1.2塑性理论

2.1.3弹塑性大挠度单元刚度矩阵

2.2有限单元法分析

3节点有限元模型的建立

3.1有限元软件ANSYS简介

3.2相贯节点极限承载力的定义

3.3影响相贯节点极限承载力的因素

3.4相贯节点有限元模型的建立

3.4.1节点计算模型

3.4.2节点模型的几何参数

3.4.3材料及计算单元的选取

3.4.4材料的本构关系

3.4.5单元的网格划分

3.4.6荷载及边界条件

3.5有限元模型的求解过程

3.5.1弧长法

3.5.2收敛准则

3.5.3求解过程

3.6有限元模型的后处理

4节点极限承载力结果有限元分析

4.1节点受力分析

4.1.1节点破坏模式分析

4.1.2节点区域应力分布

4.1.3节点破坏时变形图

4.2节点荷载—位移曲线

4.2.1 φ=75°各TT型节点荷载—位移曲线

4.2.2 φ=90°各TT型节点荷载—位移曲线

4.2.3 φ=105°各TT型节点荷载—位移曲线

4.2.4小结

4.3各参数对节点极限承载力的影响

4.3.1支管与主管外径比β对节点极限承载力的影响

4.3.2主管壁厚t对节点极限承载力的影响

4.3.3支管壁厚t1对节点极限承载力的影响

4.3.4横向夹角φ对节点极限承载力的影响

4.4有限元分析与规范公式计算参考的对比

4.5小结

5结论与展望

5.1结论

5.2有待于进一步研究的问题

致 谢

参考文献

附 录 作者在攻读硕士学位期间发表的论文