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矩形钢管预埋螺栓式节点及半刚性单层网壳受力性能研究

金跃东  
【摘要】:单层网壳结构构造简洁、通透性好,被广泛应用于自由曲面及美观要求较高的建筑中。对于单层网壳结构,尤其是自由曲面、复杂形体的单层网壳,无论是结构受力角度还是建筑美观角度,采用矩形钢管都是更为合理的选择。而缺乏综合性能优越的装配式节点是制约其应用发展的主要瓶颈之一。区别于圆钢管构成的网壳结构,矩形钢管网壳的节点刚度和杆件刚度都存在明显的强弱轴区分。目前节点半刚性性能对网壳稳定性影响的研究大多针对圆钢管网壳结构,对矩形钢管网壳结构的研究较少。本文在现有研究的基础上,从新型装配式节点的开发与研究以及节点半刚性性能对网壳整体稳定性的影响两个维度开展研究。第2章提出了一种无需杆件开孔的封闭杆件内预埋螺栓的新型装配式节点连接方案,阐述了该类节点在一般情况下的预制及装配流程。通过16个两杆试件的四点弯曲试验,考察了螺栓直径、端板厚度、端板距节点体距离和杆件开孔对节点抗弯性能的影响。试验结果表明,该类节点具有良好的受弯性能,节点抗弯能力随螺栓直径的增大、杆件端板厚度的增加以及杆件端板与节点体距离的减小而增强。与杆件开孔节点相比,新型节点在受弯承载力及变形能力方面均具有优势,但初始抗弯刚度略低。弯矩作用下,节点失效模式主要包括杆件失效、螺栓失效及杆件端板失效。第3章首先对碗式节点进行考虑接触效应的实体单元精细化有限元分析,得到的弯矩-转角曲线与已有文献试验结果吻合较好,验证有限元模型可有效模拟螺栓装配式节点的力学性能。对第2章中预埋螺栓式节点纯弯试验进行有限元模拟,荷载-位移曲线以及荷载-应变曲线的弹性段与试验结果吻合很好,弹塑性阶段存在一定差异,有限元极限荷载略大于试验结果。进一步的有限元参数分析表明,将内外螺母分别与杆件及节点体顶紧有利于发挥节点性能;节点体距端板距离越小,节点抗弯性能越好;在一定范围内,增加内外螺母厚度可以提高节点的抗弯性能。基于节点体和杆件端板理想刚性假定,推导了预埋螺栓式节点纯弯荷载下的初始刚度、弹性极限弯矩和塑性极限弯矩公式,公式结果与有限元简化模型结果吻合较好。第4章通过六杆单元模型静力试验,探究预埋螺栓式节点在复杂受力情况下的力学性能以及实际网壳结构杆件存在夹角情况下的可行性。设计制作了 8个六杆试件,考察螺栓尺寸、螺栓间距、节点体壁厚和杆件夹角对试件性能的影响。通过节点体中空六棱台设计,有效实现了杆件与节点体之间4°和8°的夹角,可满足一般单层网壳结构的杆件夹角需求。试验结果表明,新型节点装配工艺简单高效,在复杂受力情况下仍具有较好的承载和变形能力。六杆试件初始刚度和极限弯矩均随着螺栓尺寸、螺栓间距的减小而降低;节点体壁厚的减小对试件初始刚度影响较小,但会降低试件的极限承载力。第5章在目前常用的实体单元有限元模型和弹簧单元有限元模型基础上,提出了基于梁单元的半刚性节点有限元模型,并采用三种有限元模型对第4章中的六杆模型试验进行数值模拟。三种模型的荷载-位移曲线弹性段均与试验结果吻合良好,弹塑性阶段存在一定差异。三种模型结果的初始刚度相对误差小于30%,极限荷载误差小于5%。对比三种模型的分析过程和模拟结果可知,较实体单元有限元模型,本文提出的梁单元有限元模型具备更好的计算效率和收敛性;较弹簧单元有限元模型,梁单元模型保留了节点连接区域各个组件的信息,可以更准确地反映节点各组件尺寸变化对节点性能的影响,更适用于研究具体节点形式对网壳整体结构性能的影响。第6章首先理论推导了半刚性连接两杆结构相对初始刚度β和节点相对刚度κ的关系公式,并利用有限元模型验证了公式的准确性。公式表明,两杆结构相对初始刚度是节点相对刚度的单值函数,即两杆结构相对初始刚度仅取决于节点相对刚度。进而利用弹簧单元有限元模型探究了不同跨度、矢跨比、环数以及杆件截面下,五种不同类型单层球面网壳的相对初始刚度与节点相对刚度的关系,结果表明网壳结构的β-κ关系受网壳尺寸影响较小,在此基础上给出了考虑网壳类型影响的β-κ关系拟合公式。与κ值大小仅反映节点自身的半刚性性能不同,β值大小既能反映节点自身的半刚性性能,同时还反映了半刚性节点网壳的整体性能。通过计算多组符合规范的螺栓球节点和焊接球节点在不同类型球面网壳下的β值,给出了基于网壳相对初始刚度的单层球面网壳半刚性节点判断准则。第7章针对凯威特型和联方型单层球面网壳,研究不同矢跨比、跨度及杆件截面下节点壳面外相对刚度κ1和壳面内相对刚度κ2对网壳弹性稳定性的影响。提出了有限元分析中矩形截面杆件的失稳判断方法,将失稳杆件分为强轴失稳、弱轴失稳以及强弱轴失稳三种类型。有限元结果表明,节点壳面外相对刚度κ1值较小时,网壳荷载-位移曲线形式接近理想铰接网壳,即当网壳达到临界失稳荷载后,承载力迅速降低;随着κ1值逐渐增大,荷载-位移曲线逐渐向理想刚接网壳形式转变,即当网壳达到失稳荷载后,结构仍保持一定的承载力。节点壳面内相对刚度κ2的变化不改变荷载-位移曲线的形式,均为接近理想刚接网壳;其值减小会影响截面弱轴失稳性能,从而降低网壳整体失稳荷载。矩形截面装配式节点应用时,应特别注意较小的κ2值对网壳稳定承载力的削弱。


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