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方管平面X型和空间XX型相贯节点理论和试验研究

方敏勇  
【摘要】: 本文对方管结构的平面X型和空间XX型相贯节点(又称直接焊接节点)进行了系统的理论和试验研究。方管作为结构构件,在压、弯、扭方面具有优越的性能。由方管直接焊接组成的结构,节点构造简单,不需加固件,不仅方便了加工,还降低了造价,故在国内外已被广泛应用到各种工程领域。直接焊接管结构设计的关键技术问题是节点极限承载力的计算。由于相贯节点受力性能复杂,到目前为止,对方管平面和空间相贯节点的极限承载力研究资料甚少。有关这方面的研究在我国才刚刚开始,尚没有成熟的可遵循的设计规定,这在一定程度上影响了管结构的应用。因此本文对方管平面X型和空间XX型相贯节点进行理论和试验研究具有重要的理论意义和实用价值。本文主要研究工作如下所述: (1)理论简化模型研究:由于管节点是由几个钢管焊接而成的结构,相当于一个空间薄壳结构,受力状态复杂,精确理论分析难度较大。在总结国内外研究成果的基础上,本文对方管平面X型和空间XX型相贯节点在轴力、平面内弯矩和平面外弯矩等荷载工况作用下的静力工作性能建立了一种更合理的理论简化模型研究方法。其中,对等宽方管节点(β=1.0)推求了考虑薄膜效应影响的极限承载力公式。 (2)试验研究:本文共计进行了12个方管平面X型和空间XX型相贯节点试验研究,进一步加深对方管相贯节点的感性认识,了解其实际破坏模式。试验重点研究节点支主管宽度比β以及平面外支管荷载等因素对节点性能的影响,共进行了3个足尺方管平面X型受压节点,3个足尺方管平面X型受弯节点、2个方、圆管杂交平面X型受压节点和4个足尺方管空间XX型节点试验,其中方管空间XX型相贯节点试验是国内的首次试验。 西安建筑科技大学博士论文 (3)数值校核:在试验节点数量有限的情况下,采用非线性有限元方法对节点 进行数值模拟是比较经济、快速和有效的方法,能够进一步深入系统的了解相贯 节点的受力性能。本文采用大型商业通用程序ANSYS,采用壳单元建立了通过试 验结果校核的非线性有限元分析模型,其中同时考虑了几何非线性、物理非线性 以及焊缝(采用壳单元模拟)的影响,这在国内外尚属首次。 (4)参数研究:运用已经建立的数值模型,对平面X型和空间Xx型相贯节点在各 种工况作用下的静力工作性能进行了大量系统的参数研究,并与现有设计指南和 规范进行了比较,从中得出了各节点参数对极限承载力影响的一些规律。本文通 过统计分析归纳出的承载力建议公式物理概念清晰、简单实用,计算结果与试验 结果及有限元分析结果均稳和较好,可以为钢结构规范的进一步修订提供依据。


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