X型圆钢管相贯节点平面外受弯滞回性能研究

摘要

圆钢管由于其独特的优越性能被广泛应用于空间结构中。作为整个结构的有机组成部分，钢管之间的连接即节点性能是一个重要的方面。不同轴线钢管构件之间的连接型式之一是采用相贯节点形式，即将支管直接焊接在主管的外表面，不进行任何加劲措施。X型圆钢管相贯节点广泛的应用于大跨度单层网壳等空间结构中，但对此型式节点的非刚性能研究、滞回性能研究尚未充分展开。
　　 本文以试验为背景，结合非线性有限元分析，探讨了X型圆钢管相贯节点的平面外弯曲的滞回性能，包括承载力、破坏模式、延性和耗能等性能。研究了各几何参数对节点平面外弯矩-转角曲线的影响，建立了X型圆钢管相贯节点平面外受弯的弯矩-转角曲线方程和滞回模型。研究了支管轴力和主管内力对平面外弯矩-转角曲线的影响。
　　 首先进行的是X型厚壁圆钢管节点平面外受弯的滞回性能试验研究。实施了3个厚壁圆钢管节点的受弯滞回试验，在试验结果的基础上结合数值分析，对X型厚壁圆钢管相贯节点的承载力、破坏模式、延性和耗能等进行了研究。研究结果表明，在合理的几何参数和焊缝质量保证下厚壁圆钢管相贯节点在平面外受弯时，可保证达到支管的全截面塑性的承载力计算值，节点承载力较高。主管壁的拉剪断裂破坏，为厚壁圆钢管节点破坏的重要特征，而普通钢管节点的主管壁破坏一般为塑性非圆化变形破坏或者主管壁冲剪破坏。厚壁圆钢管相贯节点在平面外受弯时，当支主管径比β较大时，延性和耗能等性能较好；当β较小时节点延性和耗能等性能较差。此章为后续章节的研究提供了试验基础和比较依据。
　　 随后本文对节点进行非线性有限元分析，和试验结果对比，研究有限元模型的适应性。在试件破坏前，节点的数值模拟结果与试验结果吻合良好，采用数值模拟方法对影响相贯节点滞回性能的参数进行分析是可行的。
　　 在试验研究和有限元模型适应性分析之后，本文对X型圆钢管相贯节点的平面外滞回模型进行研究。首先探讨了节点的变形机理，比较了直接法节点模型和间接法节点模型的优缺点，并明析了间接法模型的定义。其次总结了钢结构的包括Menegotto-Pinto在内的经典曲线方程和经典滞回模型。再次，对影响节点性能的几何参数，包括支主管外径比β、主管径厚比γ、支主管壁厚比τ、主支管夹角θ、支管平面夹角ψ，进行研究，针对各几何参数，共建立206个有限元模型进行参数分析，通过多元回归技术得出基于Menegotto-Pinto方程形式的节点平面外弯矩-转角曲线方程，与有限元模型结果拟合较好。在此基础上，给出与有限元分析结果拟合较好的X型相贯节点平面外受弯的弯矩-转角曲线的滞回关系，建立X型圆钢管相贯节点的平面外受弯滞回模型。最后，通过一个单层网壳典型算例，验证了滞回模型的准确性和有效性，考察了节点模型对整体结构的静动力响应的影响，结果表明在空间结构的静动力分析中考虑节点模型得到的结果与不考虑节点模型得到的结果在有些情况下相差较大。
　　 本文探讨了当支管存在较小轴力时和主管存在内力时对X型节点的平面外弯矩-转角曲线的影响，各自拟合给出相应的影响系数。
　　 最后，对于需进一步研究的课题进行了讨论。

目录

文摘

英文文摘

符号和术语

第1章 绪论

1.1 圆钢管结构与相贯节点

1.1.1 圆钢管结构

1.1.2 相贯节点

1.1.3 X型圆钢管相贯节点

1.2 国内外研究现状及最新进展评述

1.2.1 圆钢管相贯节点静力承载力的研究现状

1.2.2 圆钢管相贯节点非刚性性能的研究现状

1.2.3 圆钢管相贯节点滞回性能的研究现状

1.2.4 前人研究的不足

1.3 本课题的工程背景与研究意义

1.3.1 工程应用背景

1.3.2 研究意义

1.4 本文研究工作

1.4.1 研究内容

1.4.2 研究方法与技术路线

1.4.3 章节安排

第2章 X型厚壁圆钢管相贯节点平面外受弯滞回性能试验研究

2.1 引言

2.2 试验概述

2.2.1 试验设计

2.2.2 测试原理

2.2.3 试验现象及测值

2.2.4 试验小结

2.3 试验破坏模式的分析与识别

2.4 延性性能分析

2.5 本章结论

第3章 X型圆钢管相贯节点平面外受弯滞回性能的数值模拟与分析

3.1 引言

3.2 非线性有限元分析的基本原理

3.2.1 材料的屈服准则、流动法则和强化法则

3.2.2 数值算法的步骤及有关说明

3.3 有限元模型

3.3.1 单元的选取

3.3.2 钢材的本构关系

3.3.3 焊缝的考虑

3.3.4 有限元模型

3.4 有限元分析结果

3.4.1 荷载-位移曲线

3.4.2 应力应变云图

3.4.3 断裂应变的探讨

3.5 本章结论

第4章 X型圆钢管相贯节点平面外受弯的滞回模型

4.1 引言

4.2 相贯节点变形机理探讨

4.3 滞回模型探讨

4.4 X型相贯节点平面外M-φ曲线方程

4.5 X型相贯节点平面外M-φ曲线方程的参数分析

4.5.1 加载简图

4.5.2 几何尺寸

4.5.3 有限元模型

4.5.4 分析思路

4.5.5 参数分析

4.6 X型相贯节点平面外M-φ曲线的滞回关系

4.7 模型校验与算例分析

4.8 本章结论

第5章 支管和主管内力对节点平面外弯矩-转角曲线的影响

5.1 引言

5.2 现有研究成果

5.2.1 节点弯矩与轴力相关方程

5.2.2 主管内力对节点承载力的影响

5.3 加载路径的影响

5.4 支管轴力对节点平面外弯矩-转角曲线的影响

5.4.1 轴压力

5.4.2 轴拉力

5.5 主管内力对节点弯矩-转角曲线的影响

5.6 本章结论

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 研究展望

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果