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《同济大学》 2006年
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大跨度重型钢管相贯节点与典型加劲节点的试验与理论研究

曹国峰  
【摘要】: 随着大跨度重型空间钢结构的发展,加强节点越来越多地被应用到工程中去。外部加强方法较多地被使用,在国内外钢管结构设计规范和指南中均有较为完整的承载力计算公式和构造说明;但内部加强的方法尚无完整的承载力计算公式,有关的研究也多是定性的分析,其工程应用主要依赖于针对具体工程的试验和有限元计算。空心管(HSS)结构主要包括圆管(CHS)结构、方管(矩形管)(RHS)结构和两者结合的CHS-RHS结构。内加劲方式是内部加强的一种方法。圆管内加劲环的设置在国内外均有较多的研究成果,但空间结构中方管内加劲节点的研究数量并不多。本论文结合具体工程,所研究的节点主要是主管为方管、支管为圆管的型式,加强方式为内部加劲。通过从简单的T形内加劲节点承载力入手,分析各种荷载情况下节点的承载力,总结出一套设计可用的方法,从而定量地描述节点的承载力。在T形加劲节点研究的基础上,再分析K形加劲节点的承载力,并对加劲节点在两个工程中的应用进行介绍。尽管具体工程中加劲的型式会比较复杂,但本论文作为加劲节点的基本研究,取得了定量分析的成果。 HSS结构的研究方法多采用试验方法,而模型分析方法同样占据重要地位,它主要包括简化模型和有限元分析模型。简单的T形节点承载力多数是在假定的屈服线模型基础上利用虚功原理推导出来的;随着计算机的发展,有限元分析方法越来越受到重视,成为主要的分析方法之一。屈服线理论是研究节点的一种重要方法,在确定简单节点承载力上非常有效。本论文在研究加劲节点的过程中,主要以数值计算为主、理论推导为辅,并结合节点试验,共同分析影响加劲节点承载力的因素,以得到承载力的公式。 相贯节点的破坏模式是多样的,国内外大量的试验总结了节点破坏的主要模式,主要包括弦杆管壁的塑性破坏、弦杆腹板鼓曲、弦杆管壁冲剪破坏、腹杆与弦杆的连接焊缝破坏等。本论文研究的非加劲与加劲节点主要是基于弦杆表面屈服破坏模式,通过节点参数的控制使其成为主要破坏模式。实际工程应用中的破坏模式往往是复合型的,如腹杆、弦杆等宽抗弯加劲节点,其破坏模式主要包括主管翼缘塑性弯曲变形、支管与主管角部连接焊缝开裂与支管局部屈曲等型式。 相贯节点研究中判断节点极限承载力标准的研究一直是最重要的,节点破坏模式被归纳为三种主要型式,针对荷载—变形曲线无明显峰值的节点,极限变形的概念被广泛接受,作为对极值轴力的补充。本论文研究的节点是基于弦杆表面屈服破坏模式,其荷载—变形曲线无明显峰值。对应于1%b_o或d_o变形的荷载作为正常使用极限状态、对应于3%b_o或d_o变形的荷载作为承载力极限状态,目前被广泛采用,尽管其并非绝对标准,但在研究无明显峰值的节点承载力上是一个重要的标准。上述研究成果使用的管材多是冷弯或热轧钢管,但对等强焊接的箱形截面并无本质区别,本论文通过T形非加劲节点试验,其极限承载力与公式计算数值非常接近,也说明上述判定标准同样适用于焊接管节点。对于加劲节点,通过有限元分析,对应于3%d_o变形时非加劲与加劲节点的主管上表面Von-Mises应力分布图基本一致,因而本论文对加劲节点沿用了上述判断极限承载力的标准。 在T形非加劲与加劲RHS-CHS节点研究中,分别考虑了支管轴向力作用、平面内弯矩作用、平面外弯矩作用三种单荷载作用情况。目前各国规范和设计指南中对该节点类型轴向力作用下的承载力是有公式的,国外文献中也有平面内弯矩作用下节点的承载力公式,但对平面外弯矩作用下的节点承载力尚无公式。本论文在有限元数值计算基础上,根据主管表面的应力分布,假定了基于弦杆表面塑性破坏模式下的节点屈服线模型,推导了平面外弯矩作用下非加劲节点的极限承载力公式,与有限元计算结果非常接近。对于加劲节点,目前国内外尚无公式可参考。本论文利用屈服线理论、虚功原理推导了支管轴向力作用下加劲节点的承载力公式;利用多组有限元数值计算结果,归纳了支管轴向力、平面内和平面外弯矩作用下加劲节点的极限承载力公式。从而总结出一整套加劲节点的极限承载力公式,并且考虑了“有效宽度”的概念。 在K形非加劲与加劲RHS-CHS节点研究中,考虑支管在轴向力作用下节点的极限承载力。有限元分析发现,对K形间隙节点,T形加劲节点的公式同样可用于K形加劲节点,并且与有限元结果非常接近。 加劲节点在工程中的应用更为复杂,本论文中研究的T、K形加劲节点中加劲板只设置了一至两块,而工程中为减少主管表面的应力集中,往往是要放置多块加劲板,使得极限承载力的确定变得更为复杂,目前尚无法定量分析,需要借助有限元计算和试验。加劲节点在上海国际赛车场巨型桁架结构、上海南汇机关办公中心巨型空腹桁架中的应用,成功解决了单纯相贯节点承载力不足的难题。加劲节点的研究也会随着工程的不断应用,而得到更多的研究和发展。
【学位授予单位】:同济大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:TU392.3

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【引证文献】
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【参考文献】
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10 董卫国;王新;李治;温四清;邹锐;;塔里木油田生活基地体育馆大跨度钢结构屋盖设计[A];钢结构工程研究(七)——中国钢结构协会结构稳定与疲劳分会2008年学术交流会论文集[C];2008年
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1 马张永;内置加劲环式方圆相贯节点承载力研究[D];山东科技大学;2010年
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5 吴雪峰;交叉焊缝焊接残余应力对圆管相贯节点受力的影响[D];重庆大学;2010年
6 张信龙;垫板加强T型圆钢管相贯节点力学性能研究[D];沈阳建筑大学;2013年
7 马玲;空间钢管桁架特殊相贯节点试验研究及整体稳定性研究[D];天津大学;2012年
8 张涛;Q690人字柱与横撑相贯节点转动刚度研究[D];西安建筑科技大学;2013年
9 王波;焊接残余应力对空间KX型圆管相贯节点极限承载力的影响[D];重庆大学;2013年
10 李林;“Y”型圆管焊缝交叉相贯节点的试验研究[D];重庆大学;2010年
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