U型连接件与方钢管自攻螺丝连接节点试验研究及分析

摘要

钢管结构因具有诸多优越性能而得到了广泛的应用。节点设计是钢管结构设计中的关键所在。本文研究的是一种新型节点，由其上设置不同压痕和引孔的U型连接件与方钢管通过自攻螺丝连接而成，具有自重轻、连接方便、使用灵活、建设周期短、装配化程度高、环境污染小等优点，其中U型连接件上预设相同孔洞的设计考虑了腹杆角度多变的可能性，因而十分便于工程应用。 本文以U型连接件与方钢管自攻螺丝连接节点为研究对象，通过试验和有限元方法对其受力性能进行系列研究，具体工作如下： 通过改变U型连接件上的压痕布置，设计了四种U型连接件：平板型连接件、冲孔型连接件、横波型连接件和纵波型连接件。以采用四种连接件和方钢管通过自攻螺丝连接而成的四类节点为研究对象，设计反力框，分别进行节点的足尺试验，测试节点的应变和变形等力学性能，得到节点的极限承载力和破坏形式。在此基础上，采用有限元软件ABAQUS对试验节点进行非线性分析，并与试验结果比较，两者符合较好，验证了有限元建模方法的正确性和合理性。研究表明：不同U型连接件组成的节点极限承载力相差不大，但节点破坏模式有较大的区别。节点的极限承载力主要取决于杆件选用的材料、几何尺寸和截面面积等因素，节点的破坏模式与节点所用U型连接件平面外刚度有关，节点试件主要的破坏模式有：U型连接件平面外变形过大、弦杆局部受压屈曲及弦杆整体受弯屈曲。 基于精确的节点有限元建模方法，在不改变荷载作用方式的情况下，分析了弦杆受力状态、弦杆径厚比、腹杆与弦杆厚度比、U型连接件与弦杆厚度比和弦杆与U型连接件长度比这五个影响因素对横波型节点的受力性能、破坏形式和极限承载力的影响规律。结果表明，弦杆的受力会削弱节点的承载能力，弦杆厚度的不同将对节点承载机理、极限承载力以及破坏形式造成很大的影响。 本文的研究成果将对由U型连接件与方钢管通过自攻螺丝连接而成的钢管结构的推广和应用提供帮助。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 前言

1.2 空心钢管结构连接形式

1.3 U型连接件与方钢管连接节点

1.4 钢管节点研究方法和研究现状

1.4.1 研究方法

1.4.2 钢管节点研究现状

1.5 本文主要研究内容

第二章 U型连接件与方钢管自攻螺丝连接节点试验方法研究

2.1 材料拉伸试验

2.1.1 试验目的

2.1.2 拉伸试件

2.1.3 试验步骤

2.1.3 试验结果

2.2 U型连接件与方钢管自攻螺丝连接节点试验

2.2.1 试验目的及内容

2.2.2 试验试件

2.2.3 试验装置

2.2.4 测点布置

2.2.5试验过程

第三章 试验现象及结果分析

3.1 试验现象

Ⅰ) 平板型（UPL）节点试件

Ⅱ) 冲孔型（UPU）节点试件

Ⅲ) 纵波型（ULW）节点试件

Ⅳ) 横波型（UTW）节点试件

3.2 试验结果分析

3.2.1极限承载力

3.2.2位移分析

3.2.3应变分析

3.3、本章小结

第四章 U型连接件与方钢管自攻螺丝连接节点有限元分析

4.1 引言

4.2 ABAQUS有限元软件简介

4.3 结构分析中存在的非线性问题

4.3.1 材料非线性

4.3.2 几何非线性

4.3.3 状态非线性

4.4 非线性分析相关理论

4.4.1 ABAQUS中非线性分析方法

4.4.2 线性屈曲分析和非线性后屈曲分析

4.5 建模步骤简介及要点

4.5.1 ABAQUS的基本约定

4.5.2 几何部件的建立

4.5.3 材料属性的定义及截面的创建与分配

4.5.4 节点模型装配

4.5.5 网格划分

4.5.6 定义分析步

4.5.7 定义相互作用

4.5.8 定义荷载与边界条件

4.5.9 创建作业并进行线性屈曲分析

4.5.10引入初始缺陷并进行非线性后屈曲分析

4.6 加载过程分析

4.7 本章小结

第五章 U型连接件与方钢管自攻螺丝连接节点有限元结果与试验结果对比

5.1 节点极限承载力的对比

5.2 节点荷载-平面外位移曲线的对比

5.2.1 UPL型节点试验及有限元对比

5.2.2 UPU型节点试验及有限元对比

5.2.3 UTW型节点试验及有限元对比

5.2.4 ULW型节点试验及有限元对比

5.3 节点破坏形式的对比

5.3.1 平板型节点有限元与试验破坏形式对比

5.3.2 冲孔型节点有限元与试验破坏形式对比

5.3.3 横波型节点有限元与试验破坏形式对比

5.3.4 纵波型节点有限元与试验破坏形式对比

5.4 本章小结

第六章 U型连接件与方钢管自攻螺丝连接节点参数分析

6.1 无量纲几何参数

6.2 几何参数对节点破坏形式的影响

（1）弦杆受力状态 η 对节点破坏形式的影响

（2）弦杆径厚比γ 对节点破坏形式的影响

6.3 几何参数对节点极限承载力的影响

6.3.2 η对节点承载性能的影响

6.3.3γ对节点承载性能的影响

6.3.4τ1对节点承载性能的影响

6.3.5τ2对节点承载性能的影响

6.3.6 ζ对节点承载性能的影响

6.4 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参考文献