钢管桁架结构空间KX型节点的力学性能分析

摘要

国内外近几年的工程实践表明，在大跨度空间钢管结构中，除KK型和KT型节点外，空间KX型圆钢管相贯节点也是一种常见的节点形式。然而，现行钢结构设计规范(GB50017-2003)还不能解决此类节点的设计问题，研究工作的滞后给工程设计的安全性和经济性会带来不利影响。故，本文采用大型有限元分析软件ANSYS对空间KX型节点的静力性能和抗震性能进行了较为全面深入的研究，以供广大工程设计人员的参考。其主要研究内容如下：
　　 (1)对已发表的相关节点的试验结果进行非线性有限元分析，通过试验结果与有限元结果的对比，建立了满足精度要求、适应性较好的空间KX型节点的数值分析模型。进而讨论了节点的尺寸效应，表明本文的分析结果具有普遍性。
　　 (2)探讨了空间效应(荷载效应和几何效应)影响下，KX节点随各几何参数(βx、τx、γ和φi)变化时的受力性能。分析表明：各几何参数下支腹杆轴力比nXK的变化对KX节点承载力的影响显著；将其与相应的平面K型节点承载力相比，在一定的轴力比范围内可较为保守地按相应平面节点进行设计。
　　 (3)针对特定的节点破坏模式，进一步研究了空间KX型节点的破坏类型，并根据分类选取具有代表性的支腹杆轴力比nXK，分别探索了整个加载过程中节点应力和塑性区的分布与发展规律。
　　 (4)在节点承受静力荷载的作用下，研究了荷载效应和几何效应对空间KX型节点承载力的影响关系：破坏类型一致时，支腹杆轴力比nXK对节点极限承载力的影响是独立的，而与节点几何参数的变化不相关。
　　 (5)对于特定的几何参数，分析了空间效应影响下KX型节点的抗震性能，通过得到的滞回曲线来评价节点的耗能能力和延性。结果表明：KX节点的抗震性能要劣于相应的平面K型节点；随着支腹杆轴力比|nXK|的增大，节点的耗能能力和延性越来越差。
　　 (6)通过分析得到的滞回曲线，绘出了KX节点的骨架曲线，对比得出随支腹杆轴力比nXK变化时节点骨架曲线的变化趋势基本一致，并比较了节点分别在X平面内支杆受压和受拉时的承载能力。
　　 (7)总结出空间KX型节点在不同的支腹杆轴力比nXK下，受地震往复作用时节点的最终破坏形态。