大尺寸复杂空间相贯节点极限承载力足尺试验研究

论文摘要

摘要：钢管结构设计中的一个关键点是相贯节点设计,由于节点区域几何和材料特性比较复杂,应力集中较为严重,且影响因素繁多,破坏形式多样,因此不能仅依靠力学理论推导来分析节点的受力状况。空间相贯节由于各支管间的相互作用,节点区应力更为复杂,现行钢结构设计规范对之没有明确的计算方法。本文以贵阳奥林匹克体育中心主体育场工程为背景,针对其空间钢管桁架屋盖中的上、下弦相贯节点,进行了4个足尺寸节点破坏性试验。详细介绍了试验方案、试验过程、试验现象和试验结果。根据试验的受力全过程特点,进行了试验数据分析,了解各加载阶段相贯节点的应力分布情况,得出了此工程节点的破坏模式。在有限元程序ANSYS中,考虑材料非线性和几何非线性,并且严格按照实际试验的加载制度及过程对节点有限元模型分步加载,从应力、应变和位移三方面对钢管相贯节点进行弹塑性分析。揭示了相贯节点的受力性能、塑性区的扩展过程和节点区的应力、应变分布状态。最后按我国《钢结构设计规范》（GB50017-2003）计算了节点的设计承载力。将节点试验结果、有限元计算结果和规范计算结果进行了对比。结果显示节点在设计荷载作用下只有局部区域进入弹塑性,大部分区域处于弹性状态,试件的承载力都能达到设计荷载水平的2.5倍以上,表明节点设计安全。对节点薄弱部位提出了加强措施。节点发生弦杆局部屈曲模式和腹杆轴向屈曲2种破坏模式。将弦杆受压节点试验结果与规范计算结果相比较,得出我国钢结构设计规范节点设计公式值偏于保守的结论。节点试验结果与有限元计算结果基本吻合,极限承载力偏差仅为-8%～4%。根据试验现象及实验数据分析及有限元计算结果,本文建议取变形准则和极限强度准则中的最小值作为节点极限承载力。本文对大直径空间相贯节点的分析方法和试验结果,对于类似工程结构具有重要参考价。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 序
• 1 引言
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 钢管结构的优点
• 1.1.2 钢管结构节点形式
• 1.1.3 钢管相贯节点的工程应用
• 1.2 钢管相贯节点的研究发展
• 1.2.1 研究方法
• 1.2.2 研究现状
• 1.2.3 破坏准则的判定
• 1.3 本文研究内容和研究方法
• 2 大直径空间相贯节点足尺试验研究
• 2.1 引言
• 2.2 试验概况
• 2.2.1 试验节点
• 2.2.2 试验目的
• 2.2.3 试验装置
• 2.2.4 测点布置
• 2.2.5 材性试验
• 2.3 试验过程与现象
• 2.3.1 加载制度
• 2.3.2 SX-1试验过程及现象
• 2.3.3 SX-2试验过程及现象
• 2.3.4 XX-1试验过程及现象
• 2.3.5 XX-2试验过程及现象
• 2.4 数据处理原理
• 2.5 试验数据分析
• 2.5.1 SX-1上弦受拉节点
• 2.5.2 SX-2上弦受压节点
• 2.5.3 XX-1下弦受拉节点
• 2.5.4 XX-2下弦受压节点
• 2.5.5 典型测点综合分析
• 2.5.6 小结
• 3 空间相贯节点的有限元分析
• 3.1 有限元计算模型
• 3.1.1 加载方式和边界条件
• 3.1.2 单元属性
• 3.1.3 网格精度
• 3.1.4 材料性能
• 3.2 有限元结果分析
• 3.2.1 SX-1节点应力应变分布及变形分析结果
• 3.2.2 SX-2节点应力应变分布及变形分析结果
• 3.2.3 XX-1节点应力应变分布及变形分析结果
• 3.2.4 XX-2节点应力应变分布及变形分析结果
• 3.2.5 XX-2节点带平面内弯矩与仅受轴力情况对比分析
• 3.2.6 小结
• 4 计算结果与试验结果对比分析
• 4.1 试验结果与按规范计算结果对比分析
• 4.2 试验结果与有限元计算结果对比分析
• 4.3 小结
• 5 结论和展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 附录A
• 作者简历
• 学位论文数据集