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嵌入式毂节点半刚性及其单层球面网壳稳定性研究

张晓磊  
【摘要】:单层球面网壳的节点刚度问题和节点结构形式问题是目前学术研究的一个热点问题,本文所研究的嵌入式毂节点常被广泛应用于储煤仓、贮罐顶盖等结构当中,为我国自行开发研制的一种装配式节点。目前认为此类节点的受力性能是介于刚接和铰接之间,即在具备一定抗弯刚度的同时也具备一定的转动能力,属于典型的半刚性节点。但现有规范并未针对具备节点半刚性的单层球面网壳提出相关的理论计算和要求。因此,有必要对嵌入式毂节点进行系统的受力性能分析,探究其半刚性特性,并综合分析该节点对于网壳屈曲模态及承载力的影响,从而给单层球面网壳的设计工作提供了一定的理论参考。为此,本文主要做了以下的研究工作:(1)嵌入式毂节点的建模及受力性能研究本文首先对嵌入式毂节点进行了精细化建模,选用Contact174和Target170作为毂体和杆件嵌入件之间的接触对,然后通过对节点进行各类工况下的受力性能分析,确定节点的破坏形式和机理。分析结果表明:嵌入式毂节点在轴心受压的极限承载力上要高于轴心受拉的极限承载力,且该节点在多种荷载条件下的薄弱部位为杆件嵌入榫颈部;节点在轴心受压作用时的初始刚度和极限承载力都会因毂体高度的提升而有所增加,节点在面外弯曲作用时的抗弯承载力随杆件嵌入件钢材屈服能力的提高而有所增加;节点在面内弯曲作用时的初始刚度很小,面内弯曲作用时的极限承载力也很低;在恒压受弯作用下,当轴压比小于0.2时,恒压受弯的极限弯矩承载力会因为摩擦效应未发生显著改变,但当轴压比大于0.2后,恒压受弯的极限弯矩会承载力会随轴压比的增大而减小,呈现线性变化;节点有良好的滞回特性,但滞回曲线有明显的捏缩现象,随着节点轴压比的增大,捏缩效应会逐步减弱,当轴压比超过0.5后,捏缩现象会消失;滞回曲线中的捏缩效应会随着节点毂体直径的增大而逐渐减小;毂体直径超过110mm后,其对节点滞回性能的影响会很小。(2)建立关于嵌入式毂节点刚度的双线性模型在节点受弯作用的研究基础上,对节点进行弹塑性分析时不断改变节点的尺寸参数,得到节点的强弱轴弯曲刚度和扭转刚度,深入分析了不同的尺寸参数对节点刚度的影响,并基于能量等值方法拟合出关于节点的面外弯曲刚度和扭转刚度的双线性模型。研究表明:节点面外弯曲刚度的弯矩-转角曲线和扭转刚度的扭矩-转角曲线均可以使用双线性模型来表示,但其在面内弯曲的荷载下初期就呈现出较大转角,不符合双线性性质;嵌入式毂节点的毂体高度和毂体直径对节点刚度的影响均呈现为正相关,嵌入榫颈部长度与面外弯曲和扭转时的极限承载力有关,与节点初始刚度的基本无关;通过回归分析法确定合适的屈服系数、刚度系数、初始弯曲刚度和初始扭转刚度以及改进极限承载力的经验公式,拟合出精确度较高的节点在面外弯曲受力和扭转受力时的双线性模型。(3)嵌入式毂节点单层球面网壳整体稳定性的研究最后基于对节点刚度分析的数据,对单层球面网壳的稳定性进行了研究,并对不同结构参数下的半刚接网壳在自振基频、屈曲模态、极限承载力等方面进行了对比和分析。结果表明:网壳的自振基频、初始刚度、极限承载力均会因节点刚度的存在而减小,且节点弯曲刚度对结构自振基频和极限承载力的影响程度大于节点轴向刚度。半刚接网壳的第一阶屈曲模态呈现对称形态,顶部最大凸起位移的节点数会随着矢跨比的增大而增加,半刚接网壳的节点变形范围相对于理想刚接网壳会更大,且网壳的第一阶屈曲模态中节点变形范围会随着矢跨比的增加而收缩,随着跨度的变大而扩大。铰接网壳的最大极限承载能力不足刚接网壳的三分之一;随着结构矢跨比从1/4降至1/8,不同跨度下的半刚接网壳的极限承载力均下降了一半以上;网壳承载能力对节点刚度的敏感程度会随着结构跨度或矢跨比的增大均呈现减弱的趋势,证明了考虑节点刚度的网壳计算模型与理想刚接网壳相比,能更准确得反映出结构实际工作状况。


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