管板节点受拉极限承载力理论分析与设计方法研究

论文摘要

钢管截面通常用作网架和网壳结构的受力杆件或支撑钢框架中的支撑构件,为了简化制作安装,避免复杂的相贯线切割,通常将钢管开长槽孔和插入的钢板焊接,这种节点还可以用空心球或弧形板进行补强,这类以钢板为主要传力构件的节点可统称为管板节点。目前,国外有一些规范对未补强的管板节点的受拉性能作出了规定,但没有考虑到节点的补强形式。在中国,管板节点受拉性能的研究尚处于起步阶段,钢结构规范还未作出相关规定。本文在国内外试验资料的基础上,采用通用有限元程序ANSYS对管板节点的受拉性能进行非线性有限元分析研究,进行分析时考虑了材料特性和几何参数两个方面的影响。其中,对未补强的管板节点的几何参数分析主要考虑无量纲参数钢板插入钢管长度与钢管直径之比α对该类节点破坏模式和极限承载力的影响;对用球补强的管板节点的几何参数分析主要考虑两个无量纲参数:空心球直径与钢管外径的比值β= D /d和空心球壁厚与钢管壁厚的比值γ= t q /tg对该类节点破坏模式和极限承载力的影响;对用板补强的管板节点的几何参数分析主要考虑补强钢板覆盖角度θ和无量纲几何参数补强钢板长度与钢管外径的比值δ= Lb /d对该类节点破坏模式和极限承载力的影响。由于钢管截面只是部分和钢板连接,在拉力作用下,管板节点容易发生剪切滞后引起的净截面破坏。就未补强的管板节点而言,剪切滞后现象比较严重,几何参数α决定了节点的破坏模式;当节点用球补强时,由于空心球能传递部分拉力,和未补强的管板节点相比,剪切滞后现象明显减弱,空心球的几何尺寸成为影响节点受拉极限承载力的主要因素;当节点用板补强时,若弧形板覆盖角度θ≥65,则随着弧形板长度的增加,节点受力性能有明显改善。根据有限元分析的结果,本文拟合了管板节点受拉极限承载力的设计公式,公式中确定了各因素f u f y、α、β、γ、δ、θ对管板节点的净截面效率的影响程度,为我国钢结构规范建立管板节点受拉极限承载力设计公式及有关拉杆的设计公式的进一步完善提供了参考,同时对实际工程也有一定的参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 管板节点的形式、特点及应用
• 1.3 管板节点受拉极限承载力的研究历史与现状
• 1.3.1 国内外管板节点的研究历史
• 1.3.2 国内外管板节点的设计规定
• 1.4 管板节点研究存在的问题
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第2章 节点有限元分析理论基础
• 2.1 概论
• 2.2 弹塑性力学的基本方程
• 2.2.1 弹塑性力学的平衡方程和几何方程
• 2.2.2 弹塑性力学的物理方程
• 2.2.3 弹塑性增量分析的有限元格式
• 2.3 节点受拉极限承载力取值标准
• 2.3.1 节点破坏准则
• 2.3.2 钢材的应力—应变曲线
• 2.3.3 节点受拉极限承载力取值标准
• 第3章 未补强的管板节点受拉极限承载力性能的研究
• 3.1 节点有限元分析方法
• 3.1.1 有限元计算模型
• 3.1.2 国内外试验资料
• 3.1.3 有限元模型的校核
• 3.2 节点受拉极限承载力研究
• 3.2.1 正交试验模型设计
• 3.2.2 显著影响因素分析
• 第4章 补强的管板节点受拉极限承载力性能的研究
• 4.1 用球补强的管板节点受拉极限承载力性能
• 4.1.1 有限元计算模型
• 4.1.2 有限元模型的校核
• 4.1.3 正交试验模型设计
• 4.1.4 显著几何参数对节点受拉极限承载力的影响
• 4.1.5 材料特性对节点受拉极限承载力的影响
• 4.2 用板补强的管板节点受拉极限承载力性能
• 4.2.1 有限元计算模型
• 4.2.2 正交试验模型设计
• 4.2.3 显著几何参数对节点受拉极限承载力的影响
• 4.2.4 材料特性对节点受拉极限承载力的影响
• 第5章 管板节点受拉极限承载力设计公式
• 5.1 引言
• 5.2 未补强的管板节点的推荐公式
• α'>5.2.1 连接长度参数K_α
• g'>5.2.2 材料特性参数K_g
• 5.2.3 抗力系数
• 5.2.4 推荐的设计公式
• 5.3 用球补强的管板节点的推荐公式
• β'>5.3.1 空心球外径参数K_β
• γ'>5.3.2 空心球厚度参数K_γ
• g'>5.3.3 材料特性系数 K_g
• 5.3.4 抗力系数
• 5.3.5 推荐的设计公式
• 5.4 用板补强的管板节点的推荐公式
• θ'>5.4.1 补强板覆盖角度参数K_θ
• δ'>5.4.2 补强板长度参数K_δ
• g'>5.4.3 材料特性系数K_g
• 5.4.4 抗力系数
• 5.4.5 推荐的设计公式
• 结论
• 1. 未补强的管板节点极限承载力非线性有限元分析的主要结论
• 2. 补强的管板节点极限承载力非线性有限元分析的主要结论
• 3. 有待进一步研究的工作
• 参考文献
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
• 致谢