圆钢管X型相贯节点刚度及其对结构整体性能的影响

论文摘要

钢管结构由于其独特的优越性能被广泛应用于空间结构中。随着多维数控切割技术和钢管结构专用设计软件的发展,钢管构件之间的连接越来越多地采用相贯节点型式。相贯节点在荷载作用下,支管与主管的相贯连接面发生局部变形,从而引起相对位移和转动,无论在弹性或弹塑性阶段都表现出不同于铰接也不同于刚接的特性,这种节点的半刚特性对钢管结构的受力、变形及整体稳定性都有显著的影响。本文在总结相关领域国内外研究现状的基础上,从理论和试验两个方面对X型相贯节点刚度（包括轴向刚度、平面外弯曲刚度和平面内弯曲刚度）进行了系统研究,得到相贯节点刚度的计算公式;分析了相贯节点刚度对钢管结构整体性能的影响,指出在分析结构内力和整体稳定性时,相贯节点刚度不宜采用定值,需考虑相贯节点刚度随内力的增加而降低。首先以实际单层网壳工程为背景,以其中典型的X型相贯节点为研究对象,对6个节点试件分别在轴力、平面外弯矩和平面内弯矩作用下的节点刚度进行了试验研究,考察了节点的受力性能和破坏模式,并采用板壳单元对节点试件进行了非线性有限元分析。结果表明支管与主管直径比接近于1时,节点刚度很大,对结构进行分析时可将相贯节点近似按刚接节点处理,但随着支管与主管直径比的减小,相贯节点刚度逐渐降低,结构分析时不宜按刚接节点考虑。分析了相贯节点刚度的影响因素,运用正交试验设计方法建立有效的有限元分析模型,分别对各影响因素进行系统的单参数分析。通过对144个X型相贯节点模型在支管轴力作用下的非线性有限元分析,得到了不同参数条件下支管轴力与节点变形之间的关系曲线、节点破坏模式和应力分布规律;计算得到了相贯节点轴向刚度;总结了相贯节点轴向刚度随各参数的变化规律,提出无量纲参数节点轴向刚度因子ηN和承载力因子ωN的概念,在总结归纳二者之间关系的基础上,提出ηN-ωN关系曲线的形式,通过多元回归技术得到ηN与ωN之间的函数关系,进而得到了X型相贯节点轴向刚度的计算公式。通过对142个X型相贯节点模型分别在平面外弯矩和平面内弯矩作用下的非线性有限元分析,得到了不同参数条件下节点承受弯矩与节点转角之间的关系曲线、破坏模式和应力分布规律;通过计算得到了相贯节点平面外弯曲刚度与平面内弯曲刚度;总结了相贯节点平面外弯曲刚度与平面内弯曲刚度随各参数的变化规律,提出无量纲参数节点弯曲刚度因子ηW、ηI和承载力因子ωW、ωI的概念,提出二者之间关系曲线的形式,通过多元回归技术得到ηW与ωW、ηI与ωI之间的函数关系,进而得到X型相贯节点平面外弯曲刚度与平面内弯曲刚度的计算公式。从试验研究和数值计算两个方面分析了相贯节点刚度之后,建立了相贯节点刚度在整体结构分析中的数值模型,将本文得出的X型相贯节点刚度的计算公式,引入到管结构设计软件STCAD的静力分析和整体稳定性分析模块,对采用X型相贯节点的典型结构——肋环型单层网壳算例和某体育馆单层钢管结构工程进行了静力及整体稳定性分析,考察了X型相贯节点刚度对结构受力、变形及稳定性的影响。计算结果表明,相贯节点刚度对单层网壳钢管结构的整体性能影响很大,对于该体育馆结构,考虑节点刚度影响时,分析得到的临界荷载因子比不考虑节点刚度（全部按刚接节点处理）时降低可达50%左右;如果整体分析时将节点刚度假设为定值（仅与几何参数有关的初始节点刚度值）,得到的临界荷载因子比采用本文回归公式计算相贯节点刚度时高30%左右。说明考虑相贯节点刚度的影响进行结构分析时,不宜将节点刚度假设为定值,应考虑结构受力的增加使节点刚度减小的影响。最后,对于需要进一步研究的课题进行了讨论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 钢管相贯节点概述
• 1.1.1 钢管结构
• 1.1.2 相贯节点
• 1.2 相贯节点研究现状
• 1.2.1 相贯节点承载力
• 1.2.2 相贯节点刚度
• 1.2.3 前人研究的不足
• 1.3 论文研究背景和意义
• 1.4 研究内容
• 第二章 X型相贯节点刚度试验研究
• 2.1 引言
• 2.2 相贯节点的变形机理及刚度定义
• 2.3 X型相贯节点刚度试验研究
• 2.3.1 工程背景
• 2.3.2 试验目的
• 2.3.3 试验方案
• 2.3.4 试验结果与分析
• 2.4 X型相贯节点有限元分析模型
• 2.4.1 几何模型
• 2.4.2 单元类型
• 2.4.3 材料特性
• 2.4.4 网格划分
• 2.4.5 边界条件
• 2.4.6 荷载施加条件
• 2.5 试验节点的有限元分析与校验
• 2.5.1 有限元模型的建立
• 2.5.2 有限元分析结果与试验结果的对比
• 2.6 本章小结
• 第三章 X型相贯节点轴向刚度的参数分析与计算公式
• 3.1 概述
• 3.1.1 相贯节点轴向刚度的影响因素
• 3.1.2 各几何参数影响效应的机理分析
• 3.1.3 参数介绍
• 3.2 支管与主管外径比的影响
• 3.2.1 对支管受压节点的影响
• 3.2.2 对支管受拉节点的影响
• 3.3 主管径厚比的影响
• 3.3.1 对支管受压节点的影响
• 3.3.2 对支管受拉节点的影响
• 3.4 支管与主管壁厚比的影响
• 3.4.1 对支管受压节点的影响
• 3.4.2 对支管受拉节点的影响
• 3.5 支管与主管间夹角的影响
• 3.5.1 对支管受压节点的影响
• 3.5.2 对支管受拉节点的影响
• 3.6 主管应力比的影响
• 3.6.1 对支管受压节点的影响
• 3.6.2 对支管受拉节点的影响
• 3.7 平面内弯矩的影响
• 3.7.1 对支管受压节点的影响
• 3.7.2 对支管受拉节点的影响
• 3.8 平面外弯矩的影响
• 3.8.1 对支管受压节点的影响
• 3.8.2 对支管受拉节点的影响
• 3.9 另一支管直径的影响
• 3.9.1 对支管受压节点的影响
• 3.9.2 对支管受拉节点的影响
• 3.10 钢材材质的影响
• 3.10.1 对支管受压节点的影响
• 3.10.2 对支管受拉节点的影响
• 3.11 X型相贯节点轴向刚度的计算公式
• 3.11.1 轴向刚度计算公式的多元回归分析
• 3.11.2 支管受压时相贯节点轴向刚度计算公式
• 3.11.3 支管受拉时节点轴向刚度计算公式
• 3.11.4 计算公式回归校验
• 3.12 本章小结
• 第四章 X型相贯节点弯曲刚度的参数分析与计算公式
• 4.1 引言
• 4.2 支管与主管外径比的影响
• 4.2.1 对平面外弯曲刚度的影响
• 4.2.2 对平面内弯曲刚度的影响
• 4.3 主管的径厚比的影响
• 4.3.1 对平面外弯曲刚度的影响
• 4.3.2 对平面内弯曲刚度的影响
• 4.4 支管与主管壁厚比的影响
• 4.4.1 对平面外弯曲刚度的影响
• 4.4.2 对平面内弯曲刚度的影响
• 4.5 支管与主管间夹角的影响
• 4.5.1 对平面外弯曲刚度的影响
• 4.5.2 对平面内弯曲刚度的影响
• 4.6 主管应力比的影响
• 4.6.1 对平面外弯曲刚度的影响
• 4.6.2 对平面内弯曲刚度的影响
• 4.7 支管轴力的影响
• 4.7.1 对平面外弯曲刚度的影响
• 4.7.2 对平面内弯曲刚度的影响
• 4.8 另一支管直径的影响
• 4.8.1 对节点平面外弯曲刚度的影响
• 4.8.2 对节点平面内弯曲刚度的影响
• 4.9 钢材材质的影响
• 4.9.1 对节点平面外弯曲刚度的影响
• 4.9.2 对节点平面内弯曲刚度的影响
• 4.10 X型相贯节点弯曲刚度的计算公式
• 4.10.1 弯曲刚度计算公式的多元回归分析
• 4.10.2 平面外弯曲刚度计算公式的回归
• 4.10.3 平面内弯曲刚度计算公式的回归
• 4.10.4 计算公式回归校验
• 4.11 本章小结
• 第五章 X型相贯节点刚度对结构整体性能影响分析
• 5.1 引言
• 5.2 网壳结构整体稳定分析
• 5.2.1 几何非线性问题的一般论证
• 5.2.2 全过程路经跟踪的计算方法及迭代策略
• 5.2.3 表征X型相贯节点刚度的刚度单元
• 5.3 节点刚度对肋环型单层网壳结构力学性能的影响
• 5.3.1 网壳模型
• 5.3.2 变形分析
• 5.3.3 杆件内力分析
• 5.3.4 整体稳定性分析
• 5.4 节点刚度对某体育馆网壳结构整体稳定性的影响
• 5.4.1 分析模型简介
• 5.4.2 变形分析
• 5.4.3 整体稳定性分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间论文发表情况和科研工作
• 致谢