圆钢管结构K形搭接节点受力性能及设计方法研究

摘要

圆钢管结构是一种具有优越结构性能、良好经济效益的大跨空间钢结构形式。它将结构和建筑协调统一起来，因此在近代各类大型标志性建筑中频繁亮相。圆管K形搭接相贯节点更因其耗钢量低、受力性能好、承载力大、工艺专业化等诸多优点日趋成为圆钢管结构中节点最主要形式之一。然而，理论往往滞后于实践。苏州国际博览中心工程设计中提出了一种新的圆钢管结构节点的形式，但是，其受力性能及设计方法，国内外均无研究。为此，本文从平面K形搭接节点入手，首次对一种新型节点——空间双钢管并联K形搭接节点进行了受力性能研究。同时，本论文专门针对搭接节点特有的内隐藏焊缝施焊与不焊两种情况作了对比分析，此在国内更无相关研究报道。 本论文研究了平面K形搭接节点破坏模式的种类、几何参数对节点承载力的影响、内隐藏焊缝施焊与不焊的差异，利用非线性有限元方法计算了大量的节点模型并与现行国内外及相关文献公式计算结果作了对比，证实了支管搭接较之支管有间隙的节点的极限承载力有显著提高，通过节点数据回归，本文提出了一套反映节点参数特性的平面K形搭接节点承载力公式，公式中还考虑了内隐藏焊缝不焊的影响，具有一定的工程实用价值。 在平面K形搭接节点研究的基础上，本论文选取相同的几何参数对空间双钢管并联K形搭接节点作了相应的破坏模式、参数影响、内隐藏焊缝等问题的研究，揭示了新型节点与平面K形搭接节点的相似性。将本论文提出的平面K形搭接节点极限承载力建议公式运用在新型节点上，得到了令人满意的吻合度，验证了“在考虑节点极限承载力时，将空间双钢管并联K形搭接节点简化为平面K形搭接节点”的可行性。 本论文还介绍了5个空间双钢管并联K形搭接节点(内设加劲肋)足尺试验的受力全过程特点，进行了试验数据分析，证实了内隐藏焊缝不焊会产生使塑性区由支管搭接相贯区向支管跟部转移，同时使节点承载力下降的事实，为实际工程的正确设计提供了可靠的依据。并且试验数据验证了运用有限元分析手段的准确度和可行性。 论文研究结果表明，K形搭接节点不同于传统间隙节点，破坏模式已由常见的主管管壁塑性破坏转变为以主支管局部联合塑性屈曲、支管局部塑性屈曲和焊缝断裂为主的破坏形式。因此，现行规范对此类节点的承载力计算公式有待修正。同时，对于搭接率大于60﹪的节点笔者建议尽量全周施焊，对于搭接率小于60﹪的节点内隐藏焊缝不焊时，则应依据建议公式作相应折减。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：参数注释表

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第1章绪论

1.1研究背景

1.1.1钢管结构的优点

1.1.2钢管结构节点的形式

1.1.3钢管相贯节点的工程应用

1.2钢管结构节点的研究发展

1.2.1研究方法

1.2.2研究现状

1.3本文研究的目的、内容和意义

1.3.1研究目的

1.3.2研究内容

1.3.3研究意义

1.4论文结构

第2章数值模拟试验分析的理论基础

2.1概述

2.2极限承载力的非线性有限元分析

2.2.1基本假定

2.2.2单元属性

2.2.3几何非线性

2.2.4材料非线性

2.2.5单元刚度矩阵

2.2.6求解方法

2.2.7收敛准则和极限承载力的判别准则

2.3有限元分析软件运用时的技巧

2.4本章小结

第3章平面K形圆管搭接相贯节点有限元分析

3.1引言

3.2有限元计算模型

3.2.1边界条件

3.2.2加载方式

3.2.3单元属性

3.2.4网格精度

3.2.5材料性能

3.2.6求解技巧

3.3有限元模型参数选取

3.4有限元结果分析

3.4.1承载力判定标准和节点失效模式分析

3.4.2主要参数的分析

3.4.3内隐藏焊缝不焊对节点受力性能的影响

3.5有限元结果与国内外关于K形搭接节点承载力设计公式计算结果的综合比较分析

3.5.1国内外规范文献简述

3.5.2本文有限元结果与国内外规范文献计算结果的比较分析

3.5.3本文提出的K形搭接节点有限元承载力公式

3.6本章小结

第4章空间双钢管并联K形搭接节点有限元分析

4.1引言

4.2有限元模型分析方法和模型参数的选取

4.3有限元分析结果

4.3.1承载力判定标准和节点失效模式的分布特点

4.3.2β、γ和τ等几何参数在不同搭接率Ov条件下对节点承载力的影响

4.3.3 平面内角θ、平面外角φ和主管预应力度n对节点承载力的影响

4.3.4内隐藏焊缝不焊对节点受力性能的影响

4.4空间双钢管并联K形搭接节点有限元计算结果与国内外现有K形搭接节点承载力设计公式计算结果的比较分析

4.5本章小结

第5章空间双钢管并联K形搭接节点(内设加劲肋)足尺试验研究及有限元分析

5.1引言

5.2试验概况

5.2.1试验节点

5.2.2试验目的

5.2.3试验难点

5.2.4试验装置

5.2.5加载原理

5.2.6测点布置

5.2.7搭接节点的焊缝情况

5.2.8材性试验

5.3试验过程与现象

5.3.1加载制度

5.3.2试验现象

5.4数据处理原理

5.5试验数据分析

5.5.1 J1-1内隐藏焊缝全焊的双钢管并联K形设内加劲肋的搭接节点

5.5.2 J1-2内隐藏焊缝不焊的双钢管并联K形设内加劲肋的搭接节点

5.5.3 J2-1内隐藏焊缝全焊的双钢管并联K形设内加劲肋的搭接节点

5.5.3 J2-2内隐藏焊缝不焊的双钢管并联K形设内加劲肋的搭接节点

5.5.3 J3-2内隐藏焊缝不焊的双钢管并联K形设内加劲肋的搭接节点

5.6有限元分析以及与试验结果的比较

5.6.1有限元分析方法

5.6.2有限元计算结果与试验结果的分析与比较

5.7误差分析

5.8本章小结

第6章全文总结

6.1本文完成的主要工作

6.2本文的特色和创新之处

6.3有待进一步研究的问题

参考文献

致谢