圆钢管焊接空心球节点承载力与实用设计方法研究

摘要

焊接空心球节点的研究开始于60年代，随着80年代网架的大量使用和推广，有关的科研逐渐多起来，并逐渐开始进入了全面而深入的研究阶段，以1981年网架结构设计与施工规程的制定颁布为标志，1995年网架规程的再版达到研究巅峰，此后少有对球节点的大规模和全面研究。2003年网壳结构设计规程的制定颁布。1995年后的10年间中国钢结构事业发生了翻天覆地的变化，08北京奥运场馆设计是这一高潮的代表。在短短10余年的时间里，钢结构的形式和体系都有了很大的创新和突破，建筑的样式和形式更是新、怪、异；此时的设计规程已经远远不能满足实际工程建设的需要，科研成果的出现也远远落后于生产实践。因此，迫切需要对一些已有的老问题在新背景下做一些新研究，需要对原有的设计规程作进一步的改版和完善。正是在这样的背景下，作为国家空间网格结构技术规程的子课题，本文的研究：“焊接空心球节点承载力与实用设计方法研究”才被提出来，也可谓是科研领域的“老树发新芽”。
　　 本文研究的核心和目标是：满足现行网架、网壳规程要求的轴压空心球节点承载力是否与球体钢材的强度指标有关?受压球节点的破坏模态到底是强度破坏，还是稳定破坏?现行的网架、网壳规程的受拉、压承载力设计公式的验证与完善。
　　 针对上述研究目的，本文从有限元计算分析、理论分析和试验研究3个方向出发，借助概率数理统计分析1个数学工具，进行了以下几个方面的研究工作：
　　 有限元计算分析：阐述了薄壳弹塑性分析的基本理论，建立了适合本文研究的材料和几何双非线性有限元计算模型，并利用前人的试验结果和有限元分析数据，校验了本文有限元计算模型和计算方法的适用性：提出了适于有限元分析的极限承载力判定准则；对67组球节点进行了全过程受力分析，考察节点球面应力、应变分布规律等受力行为，透彻地分析了球节点的破坏机理，尤其是受压球节点的破坏机理；提出了破坏控制面的概念，解答了受压破坏球节点的破坏模式是强度破坏，还是稳定破坏的问题；通过对控制面上的应力特征进行的深入研究，得到了控制面控制应力是竖向剪应力这一重要而有意义的结论；分析了影响节点承载力的绝对参数和无量纲参数的关系，确定了影响的主要参数，为后续章节的研究做了铺垫；最后，通过计算得到了不同节点规格在钢材理想弹塑性和弹塑性带线性强化模型下的极限和屈服承载力，同种规格节点在Q235B和Q345B材质下的极限承载力，这些都为本文研究目标的实现和后续实用计算方法的回归公式的提出提供了强有力的数据支撑。
　　 理论分析：利用正交设计法和概率统计的直观分析和F检验法，分析了影响受拉、受压球节点屈服和极限承载力的几何和力学参数的影响显著性问题，从理论上确定了承载力的影响因子，从而回答了球体钢材的强度指标是否与受压承载力有关的问题，验证了有限元对球体破坏机理的分析结论，并为后续简化理论分析和实用设计公式的建立提供了函数自变量选取的依据；依据冲切原理和能量法原理，对球节点的极限承载力进行了理论分析，通过和试验结果、有限元分析结果的比照，验证了理论分析的正确性，为有限元分析结论提供了理论保证。
　　 破坏性试验研究：对2种规格2种材质的20个球节点进行了对比型的破坏性试验，直观地了解球节点的破坏模态，印证了有限元和理论对破坏机理的分析，检验了有限元和理论分析的计算结果，为有限元分析和理论分析提供了试验论证；每种工况2～3组试验规避了试验数据的离散对研究结论带来的偏差；破坏性试验研究也为网架、网壳规程公式和本文建议公式的适用性、安全可靠性的检验提供了准确的试验数据。
　　 承载力实用计算方法：在有限元分析、理论研究和试验论证基础上，采用概率统计分析手段，以极限承载力数据下包络线为目标，提出了更加合理和科学的承载力实用计算公式；运用以往63组试验数据和20组本文试验数据，在概率统计的意义上进行对比分析，验证了本文建议公式的适用性、合理性、经济性和安全可靠性，同时，利用统计分析原理对本文建议公式在φ500～φ900球径范围内的适用性进行了论证分析；本文建议公式的提出不但可以应用于实际工程的设计，也可为即将颁布的国家空间网格结构技术规程的制定提供依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 焊接空心球节点的研究现状

1.2.1 静力性能研究

1.2.2 存在的问题

1.3 论文研究背景和意义

1.3.1 论文研究背景

1.3.2 研究意义

1.4 论文主要研究内容

1.4.1 主要研究内容

1.4.2 研究方法与技术路线

1.4.3 章节安排

第2章 焊接空心球节点的破坏机理及其弹塑性有限元分析

2.1 引言

2.2 空心球节点弹塑性分析的基本理论

2.2.1 基本方程

2.2.2 等效应变

2.2.3 壳体内力

2.2.4 本构模型

2.2.5 边界条件

2.2.6 屈服准则

2.3 空心球节点弹塑性有限元分析

2.3.1 有限元模型

2.3.2 单元的选取

2.3.3 三维实体单元平衡方程

2.3.4 屈服条件及加、卸载准则

2.3.5 正则屈服面的本构方程

2.3.6 单元网格的划分

2.3.7 极限承载力的判定准则

2.3.8 收敛准则

2.3.9 有限元计算方法的验证

2.4 承受轴压作用的球节点有限元分析

2.4.1 轴压作用下节点的承载力和破坏机理分析

2.4.2 轴压作用下球体表面的应力分析

2.4.3 轴压作用下球体破坏控制面的控制应力

2.4.4 轴压作用下球节点的规格化无量纲参数分析

2.4.5 钢材应力-应变关系模型对极限承载力的影响

2.5 承受轴拉作用的节点有限元分析

2.5.1 轴拉作用下节点的承载力和破坏机理分析

2.5.2 轴拉作用下球体表面的应力分析

2.5.3 轴拉作用下球体破坏控制面的控制应力

2.5.4 轴拉作用下球节点的规格化无量纲参数分析

2.5.5 钢材应力应变关系模型对极限承载力的影响

2.6 本章小结

第3章 焊接空心球节点的承载力的影响参数分析

3.1 引言

3.2 受拉承载力参数分析

3.2.1 理想弹塑性模型下受拉极限承载力参数分析

3.2.2 理想弹塑性模型下受拉屈服承载力参数分析

3.2.3 理想弹塑性线性强化模型下受拉极限承载力参数分析

3.2.4 Q235和Q345材质对比分析

3.3 受压承载力参数分析

3.3.1 理想弹塑性模型下受压极限承载力参数分析

3.3.2 理想弹塑性模型下受压屈服承载力参数分析

3.3.3 理想弹塑性线性强化模型下受压极限承载力参数分析

3.3.4 Q235和Q345材质对比分析

3.4 本章小结

第4章 焊接空心球节点的极限承载力破坏试验研究

4.1 引言

4.2 试验方案

4.2.1 试件设计

4.2.2 加载方案

4.2.3 测点布置

4.2.4 试件内力校核

4.3 材性试验

4.3.1 试样设计

4.3.2 拉伸试验结果

4.4 试验过程及破坏形态

4.4.1 受压球节点试验过程及破坏形态

4.4.2 受拉球节点试验过程及破坏形态

4.5 试验结果分析及比较

4.5.1 受压球节点试验结果分析

4.5.2 钢材强度对受压极限承载力的影响

4.5.3 受拉球节点试验结果分析

4.5.4 钢材强度对受拉极限承载力的影响

4.6 试验误差分析

4.7 本章小结

第5章 焊接空心球节点的承载力理论分析

5.1 引言

5.2 轴压力作用下按能量法原理的极限承载力分析

5.2.1 基本假定

5.2.2 能量法的极限承载力公式

5.3 轴向拉力作用下按冲剪模型的极限承载力分析

5.3.1 冲剪模型与冲切原理

5.3.2 焊接空心球受拉节点的破坏特征

5.3.3 焊接空心球节点的冲剪模型及极限承载力公式

5.4 本章小结

第6章 焊接空心球节点的承载力实用设计方法

6.1 引言

6.2 轴压力作用下承载力的实用设计方法

6.2.1 计算模型

6.2.2 设计承载力修正实用公式的建立

6.2.3 设计承载力本文建议实用公式的建立

6.2.4 修正和本文建议实用公式的有限元结果检验及与网架、网壳规程公式的对比分析

6.2.5 修正和本文建议实用公式的试验数据检验及与网架、网壳规程公式的对比分析

6.2.6 本文建议公式适用球径范围的拓展

6.3 轴拉力作用下承载力的实用设计方法

6.3.1 设计承载力实用公式的推导

6.3.2 本文建议实用公式的有限元结果检验及与网架、网壳规程公式的对比分析

6.3.3 本文建议实用公式的试验数据检验及与网架、网壳规程公式的对比分析

6.3.4 本文建议公式适用球径范围的拓展

6.4 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 本文主要结论

7.2 进一步的研究工作

附录A

致谢

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果

参考文献