钢管桁架结构空间KX型节点的力学性能分析

论文摘要

国内外近几年的工程实践表明，在大跨度空间钢管结构中，除KK型和KT型节点外，空间KX型圆钢管相贯节点也是一种常见的节点形式。然而，现行钢结构设计规范（GB50017-2003）还不能解决此类节点的设计问题，研究工作的滞后给工程设计的安全性和经济性会带来不利影响。故，本文采用大型有限元分析软件ANSYS对空间KX型节点的静力性能和抗震性能进行了较为全面深入的研究，以供广大工程设计人员的参考。其主要研究内容如下：（1）对已发表的相关节点的试验结果进行非线性有限元分析，通过试验结果与有限元结果的对比，建立了满足精度要求、适应性较好的空间KX型节点的数值分析模型。进而讨论了节点的尺寸效应，表明本文的分析结果具有普遍性。（2）探讨了空间效应（荷载效应和几何效应）影响下，KX节点随各几何参数（βx、 τx、和φi）变化时的受力性能。分析表明：各几何参数下支腹杆轴力比nXK的变化对KX节点承载力的影响显著；将其与相应的平面K型节点承载力相比，在一定的轴力比范围内可较为保守地按相应平面节点进行设计。（3）针对特定的节点破坏模式，进一步研究了空间KX型节点的破坏类型，并根据分类选取具有代表性的支腹杆轴力比，分别探索了整个加载过程中节点应力和塑性区的分布与发展规律。（4）在节点承受静力荷载的作用下，研究了荷载效应和几何效应对空间KX型节点承载力的影响关系：破坏类型一致时，支腹杆轴力比nXK对节点极限承载力的影响是独立的，而与节点几何参数的变化不相关。（5）对于特定的几何参数，分析了空间效应影响下KX型节点的抗震性能，通过得到的滞回曲线来评价节点的耗能能力和延性。结果表明：KX节点的抗震性能要劣于相应的平面K型节点；随着支腹杆轴力比︱︱的增大，节点的耗能能力和延性越来越差。（6）通过分析得到的滞回曲线，绘出了KX节点的骨架曲线，对比得出随支腹杆轴力比变化时节点骨架曲线的变化趋势基本一致，并比较了节点分别在X平面内支杆受压和受拉时的承载能力。（7）总结出空间KX型节点在不同的支腹杆轴力比下，受地震往复作用时节点的最终破坏形态。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 钢管结构的优点
• 1.1.2 钢管结构的节点形式
• 1.2 圆管相贯节点的研究进展
• 1.2.1 国内外研究现状
• 1.2.2 研究方法
• 1.3 本文研究的意义和内容
• 1.3.1 研究意义
• 1.3.2 研究内容
• 1.4 符号和术语
• 第2章 相贯节点分析的理论基础
• 2.1 有限元方法
• 2.2 基本假定
• 2.3 弹塑性大挠度分析的基本理论
• 2.3.1 弹性理论
• 2.3.2 塑性理论
• 2.4 节点承载性能的非线性分析过程
• 2.4.1 材料非线性
• 2.4.2 几何非线性
• 2.4.3 单元刚度矩阵
• 2.4.4 非线性方程组求解
• 2.4.5 有限元模型极限承载力判别准则
• 2.4.6 相贯节点极限承载力判别准则
• 第3章 空间 KX 型节点有限元模型的建立
• 3.1 引言
• 3.2 节点有限元模型的验证
• 3.2.1 KX 节点的试验研究
• 3.2.2 KX 节点的数值模拟
• 3.3 节点有限元模型的建立
• 3.4 本章小结
• 第4章 空间 KX 型节点的空间效应分析
• 4.1 引言
• 4.2 平面 K 型节点的有限元分析
• 4.3 KX 节点的空间效应
• 4.3.1 不同 x时节点的空间效应
• 4.3.2 不同 x时节点的空间效应
• 4.3.3 不同 时节点的空间效应
• 4.3.4 不同 i时节点的空间效应
• 4.4 KX 节点的破坏模式
• 4.4.1 相贯节点的破坏模式
• 4.4.2 荷载效应下节点的破坏模式
• 4.4.3 几何效应下空间节点与平面节点的破坏模式比较
• 4.5 荷载效应与几何效应对节点承载力的影响关系
• 4.6 KX 节点的受力过程分析
• 4.7 本章小结
• 第5章 空间 KX 型节点的抗震性能分析
• 5.1 引言
• 5.2 几何效应下 KX 节点的抗震性能
• 5.2.1 节点的滞回性能
• 5.2.2 节点骨架曲线与单调加载曲线的比较
• 5.3 荷载效应下 KX 节点的抗震性能
• 5.3.1 节点的滞回性能
• 5.3.2 节点的骨架曲线
• 5.3.3 KX 节点的破坏模式分析
• 5.4 本章小结
• 结论与展望
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录