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《天津大学》 2016年
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基于箱型构件十字隔板焊接节点的大跨度单层网壳研究

徐皓  
【摘要】:于家堡站站房屋盖采用单层网壳结构,是本论文研究依托的工程,其南北向跨度为143.9m,东西向跨度为80.9m,结构矢高为25.8m,是目前国内跨度最大的单层网壳结构,其建筑造型模仿贝壳的形状和双螺旋线型,焊接箱型杆件布置呈螺旋发散状,形成了一系列独有的工程特点:网格形状大小无一相同、一个节点一种构造、杆件同时承受轴力、双向弯矩、双向剪力以及扭矩的复杂内力等。考虑这些工程特点,本工程深入研究十字隔板焊接节点,并首次将其应用在大跨度单层网壳结构中。这种节点形式较好地解决了本工程“一个节点一种构造”的难题,成为本工程的一个特色。对于于家堡单层网壳结构的基本性能进行分析,并对网壳结构的约束方式和支撑方案进行对比分析。对于于家堡单层网壳结构的稳定性进行研究,并分别分析荷载条件与约束条件对网壳结构稳定性的影响。对于十字隔板焊接节点,虽然节点构造简单,传力明确,但工程上的应用不多,少数应用也仅是根据经验使用,并未对节点的承载力和刚度进行系统分析,更缺少理论计算公式。因此,针对十字隔板焊接节点,使用Ansys有限元软件对平面节点、空间节点、对称节点、不对称节点等各类节点进行建模分析,分别研究节点在轴力、平面外弯矩、平面内弯矩、纯扭作用下的破坏机理。针对十字隔板焊接节点,对其进行参数化分析,对比分析杆件尺寸、节点板尺寸、杆件夹角、所受荷载种类等参数对节点承载力的影响;并根据有限元分析结果,归纳、推导节点在轴力、面外弯矩、面内弯矩和复杂荷载作用下的承载力计算公式。针对本工程中特有的十字隔板焊接节点,以及本工程中用到的其他复杂节点,在网壳结构中选取典型节点,进行复杂荷载作用下的试验研究,确定节点自身强度及安全度,验证有限元分析结果的准确性,进而为整体网壳结构的安全性评估提供依据。为保证复杂荷载试验的可行性和可操作性,对焊接箱型杆件所承受的荷载进行适当的简化和等效换算,最终实现了使用2个千斤顶同时加载压、弯、剪、扭等6个内力分量的效果。并对有限元模型进行逐步修正,分别模拟构件的不同工作状态,模拟状态逐步接近实际的试验状态,并与试验结果进行对比。验证了荷载简化、等效方法的合理性,分析了试验误差及产生原因,同时通过修正有限元模型减少试验误差对试验结果的影响。为了研究节点刚度对整体结构稳定性能的影响,本文提出了简单易行的双单元法,并采用该方法对于家堡单层网壳结构的稳定性进行了分析,得到了节点刚度对结构稳定性能的影响。为了研究结构不同区域节点刚度对结构稳定性的影响,进行了敏感性分析。分析结果表明,结构不同位置的节点刚度对结构的稳定荷载有不同的影响。本文基于多尺度建模技术对于家堡单层网壳结构的自振特性和动力响应进行了分析,用实体单元对典型节点进行建模,并将多尺度模型的动力特性与传统梁单元模型进行对比。分析结果表明精细化节点的引入会引起整体结构刚度分布的变化,继而引起整体结构自振频率及自振振型的改变,且主要表现为振型的改变;同时由于引入局部精细化节点引起结构动力响应变化,变化大小随典型节点或杆件与精细化节点的相对位置而改变,精细化节点在多遇地震下大部分区域应力水平较低。
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TU399

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【参考文献】
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