圆钢管平面K型间隙节点极限承载力及疲劳分析

摘要

随着钢管结构在土木工程中的广泛应用，圆钢管K型节点也大量的出现在桁架、网架等结构中。尽管，目前有关K型节点受力性能方面的研究已取得了大量的研究成果，但仍有许多问题并没有得到完美的解决，仍需进一步关注。近年来，对K型节点受力性能的研究主要围绕节点极限承载力的问题而展开的，而对节点疲劳寿命方面的研究相对而言较少。此外，在国家钢结构规范中有关计算节点极限承载力的公式也并未考虑边界条件的影响，整体上偏于保守。因此，本文将以圆钢管平面K型间隙节点为研究对象，主要对节点的极限承载力、破坏模式以及疲劳寿命方面的问题进行了相关研究。
　　首先，利用有限元方法对圆钢管平面K型间隙节点的极限承载力与破坏模式进行了探讨，并应用规范公式对部分圆钢管平面K型间隙节点的承载力进行了计算。分析时主要考虑了支、主管轴线间角度θ，支、主管直径比β(d/D)，主管径厚比γ（D/T）以及四种不同边界条件与加载方式对节点极限承载力与破坏模式的影响。然后，将规范公式计算结果与有限元分析结果进行了对比，并分析了产生计算偏差的原因。研究表明节点的几何影响参数θ、β、γ对节点的极限承载力与破坏模式有不同程度的影响，并且γ是影响节点破坏模式的主要参数;当β、γ较小时，边界条件对节点极限承载力的影响基本可以忽略，当β、γ较大时，边界条件对节点极限承载力的影响逐渐体现出来。
　　其次，分析了圆钢管平面K型间隙节点的疲劳寿命问题，利用了Paris公式定量反推了节点疲劳扩展阶段的剩余寿命。分析中，一方面采用有限元软件建立了含二维表面穿透裂纹标准三点弯曲试样的有限元模型，并计算了试样的应力强度因子，另一方面应用理论公式法对试样应力强度因子进行了计算。然后将有限元分析结果与理论公式计算结果进行对比，验证了建立含裂纹体模型思路及方法的合理性。最后，将借鉴上述思路与方法建立含初始表面半椭圆裂纹圆钢管平面K型间隙节点有限元模型，并将节点应力强度因子有限元分析结果通过公式换算成有效应力强度因子代入Paris公式中计算节点的疲劳寿命。分析节点的疲劳寿命时，主要考虑了支、主管直径比β，主管径厚比γ以及裂纹深度与主管壁厚比α/T对节点疲劳寿命的影响。研究表明节点的疲劳寿命随γ、a/T值的增大而减小，随β值的增大而增大;对于主管较薄或支管直径较小的节点，β、γ的影响更加明显;对于主管较薄或初始裂纹α较大的节点，a增大，节点的疲劳寿命将急剧减小。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 钢管相贯节点型式简述

1．3 钢管相贯节点的研究进展

1．3．1 钢管平面与空间相贯节点承载力及破坏模式的研究

1．3．2 钢管平面K型节点疲劳寿命的研究

1．4 圆钢管平面K型间隙节点的研究方法

1．4．1 试验研究

1．4．2 数值分析

1．5 圆钢管平面K型节点承载力及疲劳寿命计算公式

1．6 圆钢管平面K型节点研究的不足

1．7 本文研究的内容及意义

1．7．1 本文研究的内容

1．7．2 本文研究的意义

第二章 圆钢管平面K型间隙节点极限承载力分析

2．1 引言

2．2 有限元模型的确定

2．2．1 有限元模型建立的影响因素

2．2．2 单元类型及其特性

2．2．3 材料性能

2．2．4 节点模型的几何影响参数

2．2．5 边界条件与加载方式

2．2．6 有限元非线性方程的求解

2．2．7 节点模型极限承载力的判别准则

2．3 圆钢管平面K型间隙节点的破坏模式

2．3．1 节点破坏模式的分析与归纳

2．3．2 节点破坏模式的分析

2．3 节点极限承载力及其几何影响参数分析

2．3．1 主、支管轴线间角度θ对节点极限承载力的影响

2．3．2 支、主管直径比β(d／D)对节点极限承载力的影响

2．3．3 主管径厚比γ(D／T)对节点极限承载力的影响

2．3．4 边界条件及加载方式对节点极限承载力的影响

2．3．5 有限元计算结果与GB50017-2003规范公式计算结果对比

2．4 本章结论

第三章 含表面裂纹模型建立方法及计算结果分析

3．1 引言

3．2 裂纹的定义

3．3 应力强度因子的概念及求解方法

3．3．1 应力强度因子的概念

3．3．2 应力强度因子的求解方法

3．4 含二维裂纹模型的建立及计算结果验证

3．4．1 标准三点弯曲试样有限元模型的建立

3．4．2 标准三点弯曲试样应力强度因子的有限元计算

3．4．3 标准三点弯曲试样应力强度因子的理论计算

3．5 标准三点弯曲试样应力强度因子计算结果的比较

3．6 本章结论

第四章 圆钢管平面K型间隙节点的疲劳分析

4．1 引言

4．2 含初始裂纹节点模型的建立

4．3 含初始裂纹节点应力强度因子的计算及分析

4．3．1 节点表面裂纹尖端应力强度因子的计算

4．3．2 几何影响参数β、γ及α／T对节点Ke的影响

4．4 含初始裂纹节点疲劳寿命的计算及分析

4．4．1 节点疲劳寿命计算及几何影响参数分析

4．5 本章结论

第五章 结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

附录A(攻读学位期间发表论文目录)

附录B(攻读学位期间参加的实践项目)