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《浙江大学》 2005年 博士论文
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张力节点的承载力和疲劳性能研究

徐旭东  
【摘要】:张力结构体系是近二、三十年兴起的一种新型空间结构体系。该结构体系不仅具有自适应和自平衡的力学特性,而且该体系中的大部分单元都处于连续的张拉状态,这使得钢构件的材料强度能得以充分地发挥。因此,张力结构体系一经出现就引起了结构、建筑、力学等方面学者的广泛关注。保证张力结构中连续的应力回路是形成张力结构的关键因素。为了达到上述目的,必须有合适的节点构造形式来保证能够施加上足够的预应力,并使得连续的应力同路的形成变得可能。 从目前国内外对张力结构的研究现状来看,对于张力结构体系的研究开展不仅较早,而且较为深入,相对而言,对体系节点的研究较少。这主要有几方面的原因:一是节点在体系分析及设计中的重要性没有引起足够的重视;二是因为对于节点的分析手段的限制;三是就国内外规范而言,由于销钉外形与螺栓、铆钉相似,且其受力特性类似于承压型高强螺栓和铆钉,因此规范对销钉连接节点的设计是在参考螺栓和铆钉规范的基础上编制的。考虑到节点在张力结构体系中的重要性,以及张力节点与规范中定义的销钉连接件在形式上的差异,有必要对张力节点的承载能力进行研究,以便对规范设计方法的适用性做出评价,判断是否需要制订专门的设计方法。 本文在测试理论、弹性力学、固体力学非线性有限元理论以及疲劳理论等基础理论的基础上,以试验研究为主,数值计算为辅,结合理论分析,重点研究了张力节点的承载力和破坏模式随几何参数的变化情况,并为张力节点的承载力设计提出了一些简便、可行、有效的设计公式和建议。 对于实践性很强的工程学科而言,试验研究的重要性对于结构研究的重要性是不言而喻的。通过一系列的试验和部件之间的装配关系,本文认为张力节点的承载力取决于节点板和销钉两部分。根据试验值与规范值的对比,本文认为规范中有关销钉连接件的承载力设计公式可用于张力节点的设计,但是规范不能给出承载力随几何参数的变化规律。 有限元技术作为一种简便易行、廉价高效的辅助分析方法,已被广泛用于工程学科的各个领域。为了更好地模拟张力节点的力学特性以及弥补试验研究的不足,本文采用有限元技术对张力节点进行承载力分析。张力节点的有限元分析是一个复杂的、高度非线性的数值问题。本文通过计算分析和试验验证的方法,论证了对于张力节点进行有限元分析时必须考虑大转角、材料非线性和接触非线性。本文认为对于张力节点的接触分析,须考虑摩擦的影响。不过由于部件之间的接触关系的复杂性,摩擦系数的取值无需进行定量的分析,以满足侧向摩阻力要求为准。本文利用有限元技术对张力节点进行了大范围的 浙江大学博士学位论文 中文摘要 2005年 参数分析,并且进一步观察了张力节点承载力和破坏模式随儿何参数的变化规律,以及明确了张力节点 的承载力是由节点板和销钉两部分共同决定的。 理论研究的目的就是要在试验研究和有限元分析的基础上,对张力节点承载能力的变化规律做出总 结,以获得简化的设计方法便于_[程设计人员采用。根据部件的装配关系,以及试验和有限元分析结果 的变化规律的基础上,本文分别对节点板以及销钉的承载力计算提出了简化的承载力计算公式,并对实 际工程中采用破断试验造成的安全度问题给出了解释。 张力节点的疲劳性能也是一个值得关注的问题。由于疲劳破坏机理的复杂性,以及目前研究理论的 缺乏,本文只对张力节点的疲劳承载力随少日可参数的变化规律进行了试验研究,为工程设计提供了一些 感性认识。为了完善节点板的弹性设计方法,以及节点板疲劳设计时计算应力集中系数的需要,本文利 用状态空间法求得了节点板受外荷载作用时,在弹性力学范围内的精确解。 关键词:张力结构体系、张力节点、节点板、销钉、承载力、几何参数、大转角、材料非线性、接触非 线性、接触、摩擦、摩擦系数、参数分析、有限元、疲劳、状态空间法


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