一种单层网壳结构节点半刚性测定方法

摘要

本发明公开了一种单层网壳结构节点半刚性测定方法，该方法将待测定的节点与杆件按照预设连接角度进行组装，将杆件的末端固定在固定装置上，通过加载装置在节点上方施压，通过受力测定仪器测定杆件受力情况，推算出节点处的弯矩；通过位移采集装置测定杆件若干位置竖向位移值，推算出节点连接处的转角；将加载过程中每步得到的节点弯矩与转角绘制成弯矩?转角曲线，从而以该曲线反映该节点的半刚性特征。弯矩?转角曲线所反映的节点半刚性特征可直接用于半刚性节点单层网壳结构的设计计算中，能够真实有效地反映节点半刚性对单层网壳结构整体稳定性的影响，补充完善目前规范中该部分内容的不足。

说明书

技术领域

本发明涉及一种单层网壳结构节点半刚性测定方法，更具体地说，涉及一 种能真实反映单层网壳节点受力特点，准确测定节点在荷载作用下的弯矩-转角 关系，并以此反映节点半刚性特征的方法。

背景技术

节点半刚性，指的是节点在抵抗弯矩作用下发生转角位移的特性，其节点 性能介于完全刚接和理想铰接之间，往往通过荷载作用下节点处弯矩-转角的关 系曲线(如图4所示)来反映其半刚性特征。

诸多研究表明，节点的半刚性对结构整体受力性能会产生很大影响。在钢 框架结构中，端板节点半刚性对钢框架结构的静力承载能力、抗震性能以及抗 连续倒塌能力都会产生较大影响；支撑结构中，扣件式节点的半刚性也会对高 支撑结构的整体稳定承载力有较大影响。

本发明所针对的单层网壳结构，目前应用与工程中的节点形式主要有焊接 球节点、螺栓球节点、碗式节点以及毂节点等。其中，焊接球节点转动刚度较 大，规范规定在设计计算过程中按刚接节点考虑；而其他几种节点形式由于其 本身构造原因，属于半刚性节点范畴，而规范中没有对其半刚性特征以及具体 考虑节点半刚性的结构整体稳定性计算方法进行详细阐述。因此，一套针对半 刚性节点单层网壳结构的整体稳定性计算理论是目前规范亟待补充完善的，而 合理有效的节点半刚性测定方法则是该计算理论能够发展推广的重要基础。本 发明的目的就是针对单层网壳结构的半刚性节点提出一套准确有效的节点半刚 性测定方法，从而为诸多半刚性节点在单层网壳结构中的推广应用实现计算规 范化提供保障。

目前针对单层网壳结构节点半刚性的测定方法，往往存在如下几点缺陷：

1)现有单层网壳结构节点半刚性测定方法往往按照两杆纯弯受力条件进行 试验，而实际工程中单层网壳的节点更多情况下是与3到6根杆件相连，其节 点受力特征与两杆纯弯试验存在较大差异，即两杆纯弯试验不能准确反映真实 条件下节点处受多根杆件互相影响所产生的应力条件；同时，纯弯试验忽视了 节点转动刚度受轴力的影响，而该轴力随着节点受力逐渐增大对节点的转动刚 度有明显的增强效果，即传统的两杆纯弯试验得到的节点转动刚度结果会与真 实结果有明显差异；

2)现有节点半刚性测定方法即使考虑了轴力的影响，但其弯矩和轴力的施 加往往采用各自独立的加载装置，一方面增加试验的复杂性，随机误差随之增 大，另一方面这种加载方式很难保证将弯矩和轴力按照完全耦合的形式施加在 节点处，与单层网壳结构节点实际受力情况不甚相符，得到的结果也存在不准 确的问题；

3)现有节点半刚性测定方法在数据处理阶段，有些采用简支梁假设，即简 单地将节点处转角处理成节点挠度比杆件长度的结果，但该方法明显不适用于 引入杆件轴力的试验条件；有些则采用杆件远端刚接假设，但由于试验装置在 杆件远端固定处达不到完全刚接要求，与试验假设不符，导致试验结果不准确。

总之，现有试验方法在数据处理上均存在试验实际情况与假定条件不符的 问题。

发明内容

为了克服现有节点半刚性测定方法无法准确考虑节点轴力影响的不足以及 数据处理方法不准确等诸多缺陷，本发明提供一种新的测定方法，该测定方法 能有效准确地考虑单层网壳结构中节点处弯矩与轴力的耦合作用，并采用了合 理的数据采集方法，从而精确测定出节点在真实受力条件下的半刚性特征。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种单层网壳结构节点半刚 性测定方法，该方法将待测定的节点与杆件按照预设连接角度进行组装，将杆 件的末端固定在固定装置上，通过加载装置在节点上方施压，通过受力测定仪 器测定杆件受力情况，推算出节点处的弯矩；通过位移采集装置测定杆件若干 位置竖向位移值，通过Hermite差值方程推算出节点连接处的转角；将加载过 程中每步得到的节点弯矩与转角绘制成弯矩-转角曲线，从而以该弯矩-转角曲 线反映该节点的半刚性特征。

进一步地，所述的固定装置由钢柱、连接梁、钢柱连接板、梁连接板、连 接件和环梁组成；所述钢柱上端固定上下两层钢柱连接板，上下两层钢柱连接 板之间架设连接梁和环梁，所有连接梁通过上下两层梁连接板固定连接；上层 钢柱连接板上方固定连接件；所述杆件的末端设有端板，所述端板与连接件的 侧面板固定连接；固定装置的刚度远大于试验构件，从而为半刚性测定提供一 个相对稳定的固定端，同时固定装置可以适应单层网壳结构中单节点与多杆件 各种复杂角度的连接形式，因此具有广泛的适用性，有利于长期重复使用。

进一步地，所述加载装置包括反力架、反力梁、加载仪器和压力传感器； 所述反力梁的两端架设在反力架上，加载仪器的一端抵住反力梁，另一端通过 压力传感器连接待测定节点；根据压力传感器的示数控制加载仪器对节点实施 的压力。

进一步地，所述杆件上布置至少两组受力测定仪器，每组测量杆件一个断 面上的弯矩。

进一步地，所述杆件上布置至少三组位移采集装置，每组测量杆件一个断 面上的竖向位移值。

进一步地，所述通过Hermite差值方程推算出节点连接处的转角的公式如 下：

式中，l为杆件长度，x′为杆件各位置到节点处的距离，y为杆件各 位置竖向位移值，x为节点处竖向位移值，α和β分别为杆件两端转角位移。

本发明的有益效果是：

1)本发明测定过程中所采用的固定装置构造灵活方便，可以适应单层网壳 结构中单节点与多杆件各种复杂角度的连接形式，因此具有广泛的适用性，有 利于长期重复使用。

2)本发明测定过程中所采用加载方式可以真实反映实际工程中节点处同时 受弯矩和轴力的双重影响，加载过程中弯矩与轴力完全耦合施加，简单易行， 从而使测定得到的节点半刚性结果更加真实可信。

3)本发明测定过程中利用合理布置的位移采集装置和受力测定仪器进行数 据采集，同时综合考虑试验条件运用合理的数学方法处理试验数据，从而合理 有效地降低试验模型简化计算带来的误差。

4)该测定方法得到的节点弯矩-转角关系曲线所反映的节点半刚性特征可 直接用于半刚性节点单层网壳结构的整体稳定性计算中，能够真实有效地反映 节点半刚性对单层网壳结构整体稳定性的影响，补充完善目前规范中该部分内 容的不足，进而为单层网壳结构现有节点形式的设计计算规范化以及新型节点 形式的推广使用提供了重要的基础条件。

附图说明

图1是单层网壳结构节点半刚性测定试验示意图；

图2是单层网壳结构节点半刚性测定固定装置示意图(以6杆为例)；

图3是单层网壳结构节点半刚性测定结果分析方法示意图；

图4是通过节点弯矩-转角曲线反映节点半刚性特征的示意图；

图中：1.反力架，2.反力梁，3.钢柱，4.连接梁，5.钢柱连接板，6.加载 仪器，7.位移采集装置，8.压力传感器，9.连接件，10.待测定节点，11.杆件， 12.环梁，13.梁连接板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种单层网壳结构节点半刚性测定方法，该方 法将待测定节点10与杆件11按照预设连接角度进行组装；将杆件11的末端固 定在固定装置上；通过加载装置在待测定节点10上方施压；通过受力测定仪器 测定杆件11受力情况，推算出节点处的弯矩；通过位移采集装置7测定杆件11 若干位置竖向位移值，通过Hermite差值方程推算出节点连接处的转角；将加 载过程中每步得到的节点弯矩与转角绘制成弯矩-转角曲线，从而以该弯矩-转 角曲线反映该节点的半刚性特征。

所述杆件11上布置至少两组受力测定仪器，每组测量杆件一个断面上的弯 矩；所述杆件11上布置至少三组位移采集装置7，每组测量杆件一个断面上的 竖向位移值。

如图2所示，所述的固定装置由钢柱3、连接梁4、钢柱连接板5、梁连接 板13、连接件9和环梁12组成；所述钢柱3上端固定上下两层钢柱连接板5， 上下两层钢柱连接板5之间架设连接梁4和环梁12，所有连接梁4通过上下两 层梁连接板13固定连接；上层钢柱连接板5上方固定连接件9；所述杆件11的 末端设有端板，所述端板与连接件9的侧面板固定连接；固定装置的刚度远大 于试验构件，从而为半刚性测定提供一个相对稳定的固定端，同时固定装置可 以适应单层网壳结构中单节点与多杆件各种复杂角度的连接形式，因此具有广 泛的适用性，有利于长期重复使用。当钢柱3的数量为偶数时，可采用一根连 接梁4的两端架设在两个钢柱3上，在该连接梁4的上下固定梁连接板13，架 设其他连接梁4。

如图1所示，所述加载装置包括反力架1、反力梁2、加载仪器6和压力传 感器8；所述反力梁2的两端架设在反力架1上，加载仪器6的一端抵住反力梁 2，另一端通过压力传感器8连接待测定节点；根据压力传感器8的示数控制加 载仪器6对节点实施的压力。

在测定过程中，如图1、2所示，首先将钢柱3、连接梁4、钢柱连接板5、 梁连接板13、连接件9以及环梁12通过高强螺栓组装成构件固定装置并放置于 反力梁2下方；其次将待测定节点10与杆件11按照试验预设情况以一定的起 拱角度组装起来并将杆件11另一端通过高强螺栓固定于连接件9上；然后根据 试验具体要求在杆件11下部布置位移采集装置7(图中以百分表为例)，并在杆 件11特定位置上布置一定数量受力测定仪器；最后将加载仪器6(图中以千斤 顶为例)布置就位，通过压力传感器8测定并控制试验加载量，逐级加载。

测定结果的分析如图3所示，通过布置在杆件11上的受力测定仪器S₁、S₂(图 中以应力应变测点为例)测定杆件11受力情况，得到杆件11在该两个位置的 轴力N₁、N₂及弯矩M₁、M₂；通过布置在杆件11下部的位移采集装置B₁、B₂、B₃测 定出杆件各个位置竖向位移值y₁、y₂以及y₃。利用N₁、N₂以及弯矩M₁、M₂，通 过下面公式推算出节点处轴力N与弯矩值M：

N＝N₁＝N₂

$M=\frac{(M_1-M_2)\times x_1}{x_2}+M_1$

式中，x₁、x₂为受力测定仪器(图中以应力应变测点为例)与节点间距。

同时利用得到的杆件11各位置竖向位移值y₁、y₂、y₃分别代入Hermite差 值方程，解三元一次方程可得到节点处转角位移值α：

式中，l为杆件长度，x′为杆件各位置到节点处的距离，y为杆件各 位置竖向位移值，x为节点处竖向位移值，α为节点处转角位移，β为杆件远端 固定位置的转角位移。

将加载过程中每步处理得到的节点弯矩M与节点转角位移值α绘制成弯矩 -转角曲线如图4所示，从而以该弯矩-转角关系曲线反映该节点的半刚性特征， 图4中曲线上每一点的切线斜率k代表所测定节点在该转角位移下的转动刚度值。 在单层网壳整体稳定性计算过程中，可利用本发明测定得到的节点弯矩-转角曲 线中每一点切线斜率所代表的节点转动刚度值k，修正计算中每一荷载步的结构 刚度矩阵，从而实现在单层网壳计算中考虑节点半刚性的目的，使半刚性节点 单层网壳的整体稳定性计算更加规范化，合理化。

本发明的提出，实现了在单层网壳结构节点半刚性测定试验中，同时耦合 施加弯矩与轴力两种荷载，并准确采集节点处弯矩与转角位移，从而真实反映 了节点的半刚性特征。运用本方法测定得到的节点弯矩-转角曲线可以直接用于 单层网壳结构的计算分析中，能够真实有效地反映节点半刚性对单层网壳结构 整体稳定性的影响，补充完善目前规范中该部分内容的不足，进而为单层网壳 结构现有节点形式的设计计算规范化以及新型节点形式的推广使用提供了重要 的基础条件。