平面K型圆钢管搭接节点静力性能研究

论文摘要

圆钢管由于其独特的优越性能被广泛应用于空间桁架结构中。作为整个结构的有机组成部分，钢管之间的连接即节点设计是一个重要的方面。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，即将腹杆直接焊接在弦杆的外表面，不进行任何加劲措施。在实际工程中的平面K型圆钢管相贯节点经常会遇到腹杆与弦杆交汇处部分搭接的情况，必须针对这种节点开展全面的静力性能研究。 本文以试验为背景，结合非线性有限元分析，探讨了平面K型圆钢管搭接节点的受力性能、破坏模式、静力极限承载力以及搭接率、内隐蔽部分焊接与否、搭接顺序、焊脚尺寸、节点处集中荷载和各几何参数对节点静力性能的影响，给出了此类相贯节点的节点承载力和焊缝长度计算公式。 首先进行的是平面K型圆钢管搭接节点静力试验研究。实施了7个内隐蔽部分不焊接节点和3个内隐蔽部分焊接节点的试验。介绍了节点试验方案，考察了搭接节点的受力性能和破坏模式，并对内隐蔽部分焊接与否、焊脚尺寸、节点处集中荷载幅值以及腹杆搭接顺序对节点极限承载力的影响进行了讨论。试验研究结果表明，贯通腹杆受压时内隐蔽部分焊接与否虽然对节点的破坏模式和应力分布有一定的影响，但是对节点极限承载力影响较小；当腹杆与弦杆的壁厚相对值变小后，由于传力不均匀导致的腹杆局部破坏将成为主要破坏模式，而这一因素和所导致的承载力降低在既有的规范公式中尚未有相应的反映。此章为后续章节的研究提供了试验基础和比较依据。 随后本文对搭接节点极限承载力进行非线性有限元校准研究与适应性分析。本文调查了可能影响节点轴向极限承载力数值分析结果的各种因素包括分析程序、单元类型、焊缝模型、弦杆和腹杆端部的边界条件、加载方式、弦杆和腹杆长度、几何非线性、材料非线性和极限承载力计算的迭代方法等，建立一个有效的，准确的有限元模型以便进行广泛的参数分析。基于此种有限元模型并对静力加载试验的10个节点进行了有限元分析，将试验结果和有限元分析结果进行比较，再次验证有限元模型的适用性。 在试验研究和有限元校准性研究与适应性分析与之后，本文对84个CW型搭接节点和相应的28个零间隙节点进行有限元参数分析，得出该类搭接节点受

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第1章 绪论
• 1.1 钢管节点概述
• 1.2 钢管搭接节点研究现状及最新进展评述
• 1.2.1 平面K型圆钢管搭接节点主要参数
• 1.2.2 国内外研究现状
• 1.2.3 研究方法
• 1.2.4 前人研究的不足
• 1.3 本课题研究的背景、内容和意义
• 1.3.1 研究背景
• 1.3.2 研究内容
• 1.3.2 研究意义
• 1.4 论文结构
• 第2章 平面K型圆钢管搭接节点极限承载力的试验研究
• 2.1 引言
• 2.2 试验目的
• 2.3 试验方案
• 2.3.1 试验内容
• 2.3.2 试验设计思路
• 2.3.3 试件设计
• 2.3.4 测试方案
• 2.4 材性试验和试件尺寸实测
• 2.4.1 材性试验结果
• 2.4.2 钢管壁厚实测结果
• 2.4.3 试件实际参数
• 2.5 试验现象与破坏模式
• 2.6 节点区域杆件内力
• 2.6.1 理论计算模型
• 2.6.2 杆件轴力理论值与试验值比较
• 2.7 试验曲线
• 2.7.1 腹杆轴力—弦杆管壁局部变形曲线
• 2.7.2 管壁应变分布
• 2.8 试验结果分析
• 2.8.1 节点极限承载力的确定
• 2.8.2 节点延性分析
• 2.8.3 各参数与节点承载力的关系
• 2.9 本章结论
• 第3章 节点极限承载力有限元校准研究与适应性分析
• 3.1 引言
• 3.2 有限元模型建立
• 3.2.1 分析程序
• 3.2.2 单元类型
• 3.2.3 焊缝模型
• 3.2.4 边界条件和加载方式
• 3.2.5 弦杆和腹杆长度
• 3.2.6 材料非线性
• 3.2.7 几何非线性
• 3.2.8 单元刚度矩阵建立
• 3.3 有限元模型求解
• 3.3.1 非线性方程组求解
• 3.3.2 收敛准则
• 3.3.3 极限承载力判别准则
• 3.4 有限元模型适应性分析
• 3.4.1 计算模型
• 3.4.2 模型计算结果
• 3.5 本章结论
• 第4章 平面K型圆钢管搭接节点极限承载力参数研究
• 4.1 引言
• 4.2 现有搭接节点极限承载力公式
• 4.2.1 公式比较
• 4.2.2 公式与试验数据的对比评价
• 4.3 CW型搭接节点有限元分析
• 4.3.1 计算模型
• 4.3.2 计算参数
• 4.3.3 计算结果
• 4.3.4 节点受力全过程
• 4.3.5 节点破坏模式分布规律
• 4.3.6 几何参数对极限承载力的影响
• 4.3.7 搭接节点与零间隙节点极限承载力的比较
• 4.3.8 节点效率
• 4.4 搭接顺序和内隐蔽部分不焊接对节点性能的影响
• 4.4.1 搭接顺序的影响
• 4.4.2 内隐蔽部分不焊接的影响
• 4.5 本章结论
• 第5章 平面K型圆钢管搭接节点极限承载力计算公式
• 5.1 引言
• 5.2 搭接节点极限承载力公式
• 5.2.1 参数回归
• 5.2.2 回归校验
• 5.2.3 公式与国际管节点数据库比较
• 5.2.4 公式值与本次试验比较
• o和Ψ_aΨ_o关系'>5.2.5 节点几何参数与的Ψ_o和Ψ_aΨ_o关系
• 5.3 搭接节点极限承载力公式适用性研究
• 5.3.1 不相等腹杆与弦杆倾角的公式适用性研究
• 5.3.2 不相等腹杆直径的公式适用性研究
• 5.3.3 不相等腹杆壁厚的公式适用性研究
• 5.5 本章结论
• 第6章 平面K型圆钢管搭接节点焊缝长度计算
• 6.1 引言
• 6.2 相交线长度精确计算
• 6.2.1 空间曲线方程的建立
• 6.2.2 相交线交点的建立
• 6.2.3 计算曲线的确定
• 6.2.4 用微元法计算相交线长度
• 6.2.5 相交线长度的程序流程图
• 6.3 相交线长度近似计算
• 6.3.1 腹杆和弦杆相交线长度计算公式
• 6.3.2 两腹杆相交线长度计算公式
• 6.4 本章结论
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 研究展望
• 附录 平面K型圆钢管搭接节点静力性能试验附图
• 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