单层空间网格结构中心环-套筒节点力学性能研究

摘要

单层空间网格结构以其轻盈多变的造型和合理的受力性能在国内外得到广泛的应用。如日本的名古屋穹顶、美国新奥尔良超级穹项体育馆，以及上海世博会阳光谷等。单层空间网格结构的两个重要组成部分是杆件和节点，节点的力学性能诸如节点强度、刚度、延性等对空间结构的力学性能有很大影响。国内用于单层空间网格结构的节点主要有焊接空心球节点、螺栓球节点、相贯节点、嵌入式毂节点等。除毂节点外，其他都是焊接节点。而毂节点由于节点刚度和承载力不高，应用受到很大限制。相比于焊接结构，装配式结构具有经济、效率高等优点。在国外，尤其在德国，装配式节点广泛的应用于单层空间网格结构中，而在国内，单层空间网格结构绝大多数采用的是焊接节点。
　　本文提出一种新型单层空间网格结构装配式节点形式，即中心环-套筒节点，该节点构造简单、受力明确、刚度和承载力较好，且不要求很高的加工和安装精度。本文对其进行了较为系统的力学性能研究，并提出了节点的设计方法。具体工作包括以下几个方面:
　　(1)提出一种新型单层空间网格结构装配式节点形式，即中心环-套筒节点。通过对一短程线型单层网壳结构进行设计分析，确定杆件的尺寸以及节点的受力情况，得到杆件轴力、剪力和弯矩的比例关系，设计试验加载方式。根据节点形式来分析节点传力路径，设计节点参数。共设计了15个节点，包括6个参数，分别为:螺栓数量、螺栓直径、螺栓间距、套筒长度、节点长度以及轴力和弯矩的比例等;
　　(2)结合实验室现有条件，设计了节点的试验装置，较好的消除了轴向力产生的“二次弯矩”影响。通过拉伸试验得到了杆件材料的材性性能。对15个节点进行了试验，得到了节点的破坏模式以及破坏过程;
　　(3)通过ANSYS软件对节点进行有限元模拟分析。对15个节点进行有限元模拟，分析了节点的应力分布及应力发展过程。将节点荷载-位移曲线的数值模拟结果和试验结果进行了比较，数值模拟所得到的节点刚度、承载力以及应力与试验结果吻合较好，验证了有限元模型的正确性;
　　(4)综合试验和有限元模拟结果，分析了节点的破坏机理，总结了节点的破坏模式。比较了试验、模拟、理论计算所得的承载力，发现节点破坏时塑性发展较好。进行了参数对比，研究各个参数对节点破坏模式以及节点力学性能的影响并分析原因。研究了方钢管焊接球作为刚节点考虑时焊接球壁厚的选取方法，并对方钢管焊接球进行了有限元数值模拟研究。最后将中心环-套筒节点与方钢管焊接球节点的力学性能进行了比较，讨论了中心环-套筒节点的刚度和承载力水平;
　　(5)根据上述研究结果，提出了中心环-套筒节点的建议设计方法，便于工程应用。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 节点力学性能对空间结构力学性能的影响

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 国外装配式节点的应用

1．4 本文主要研究内容

参考文献

第二章 单层空间网格结构中心环-套筒节点

2．1 中心环-套筒节点形式

2．2 节点设计依据

2．2．1 模型参数

2．2．2 结构静力性能

2．2．3 结构稳定性能

2．2．4 杆件轴力与弯矩比例

2．3 试验节点设计

2．4 本章小结

参考文献

第三章 中心环-套筒节点静力性能试验研究

3．1 加载方案及测点布置

3．2 材性试验

3．3 试验过程及结果处理

3．3．1 试验过程

3．3．2 结果处理

3．3．3 节点破坏模式总结

3．4 本章小结

参考文献

第四章 中心环-套筒节点数值模拟研究

4．1 有限元计算模型

4．1．1 有限元模型的选取

4．1．2 材料属性的选取

4．1．3 单元的选择及网格划分疏密的考察

4．2 有限元计算结果及与试验对比

4．2．1 第1组节点有限元分析及与试验的对比

4．2．2 第2组节点有限元分析及与试验的对比

4．2．3 第3组节点有限元分析及与试验的对比

4．2．4 第4组节点有限元分析及与试验的对比

4．2．5 第5组节点有限元分析及与试验的对比

4．3 本章小结

参考文献

第五章 中心环-套筒节点力学性能研究

5．1 节点破坏机理分析

5．2 节点传力机理分析

5．3 参数分析

5．3．1 螺栓数目

5．3．2 螺栓直径

5．3．3 螺栓间距

5．3．4 套筒长度

5．3．5 节点长度

5．3．6 F-N比例

5．3．7 杆件截面参数对比

5．4 与刚接节点的比较

5．4．1 焊接球的选取

5．4．2 焊接球节点的模拟

5．4．3 装配式节点与焊接球节点的比较

5．5 装配式节点设计与构造

5．5 本章小结

参考文献

第六章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 展望

作者攻读硕士学位期间发表的论文

致谢