單層空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中心環(huán)-套筒節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能研究.pdf

1、單層空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)以其輕盈多變的造型和合理的受力性能在國(guó)內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用。如日本的名古屋穹頂、美國(guó)新奧爾良超級(jí)穹項(xiàng)體育館，以及上海世博會(huì)陽(yáng)光谷等。單層空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的兩個(gè)重要組成部分是桿件和節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能諸如節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度、剛度、延性等對(duì)空間結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能有很大影響。國(guó)內(nèi)用于單層空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)主要有焊接空心球節(jié)點(diǎn)、螺栓球節(jié)點(diǎn)、相貫節(jié)點(diǎn)、嵌入式轂節(jié)點(diǎn)等。除轂節(jié)點(diǎn)外，其他都是焊接節(jié)點(diǎn)。而轂節(jié)點(diǎn)由于節(jié)點(diǎn)剛度和承載力不高，應(yīng)用受到很大限制。相

2、比于焊接結(jié)構(gòu)，裝配式結(jié)構(gòu)具有經(jīng)濟(jì)、效率高等優(yōu)點(diǎn)。在國(guó)外，尤其在德國(guó)，裝配式節(jié)點(diǎn)廣泛的應(yīng)用于單層空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中，而在國(guó)內(nèi)，單層空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)絕大多數(shù)采用的是焊接節(jié)點(diǎn)。
　　本文提出一種新型單層空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)裝配式節(jié)點(diǎn)形式，即中心環(huán)-套筒節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單、受力明確、剛度和承載力較好，且不要求很高的加工和安裝精度。本文對(duì)其進(jìn)行了較為系統(tǒng)的力學(xué)性能研究，并提出了節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法。具體工作包括以下幾個(gè)方面:
　　(1)提出一種新型單層空

3、間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)裝配式節(jié)點(diǎn)形式，即中心環(huán)-套筒節(jié)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)一短程線型單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，確定桿件的尺寸以及節(jié)點(diǎn)的受力情況，得到桿件軸力、剪力和彎矩的比例關(guān)系，設(shè)計(jì)試驗(yàn)加載方式。根據(jù)節(jié)點(diǎn)形式來(lái)分析節(jié)點(diǎn)傳力路徑，設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)參數(shù)。共設(shè)計(jì)了15個(gè)節(jié)點(diǎn)，包括6個(gè)參數(shù)，分別為:螺栓數(shù)量、螺栓直徑、螺栓間距、套筒長(zhǎng)度、節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)度以及軸力和彎矩的比例等;
　　(2)結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件，設(shè)計(jì)了節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)裝置，較好的消除了軸向力產(chǎn)生的“二次彎矩”影響。通

4、過(guò)拉伸試驗(yàn)得到了桿件材料的材性性能。對(duì)15個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)，得到了節(jié)點(diǎn)的破壞模式以及破壞過(guò)程;
　　(3)通過(guò)ANSYS軟件對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元模擬分析。對(duì)15個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元模擬，分析了節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布及應(yīng)力發(fā)展過(guò)程。將節(jié)點(diǎn)荷載-位移曲線的數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，數(shù)值模擬所得到的節(jié)點(diǎn)剛度、承載力以及應(yīng)力與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了有限元模型的正確性;
　　(4)綜合試驗(yàn)和有限元模擬結(jié)果，分析了節(jié)點(diǎn)的破壞機(jī)理，總結(jié)了節(jié)點(diǎn)的

5、破壞模式。比較了試驗(yàn)、模擬、理論計(jì)算所得的承載力，發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)破壞時(shí)塑性發(fā)展較好。進(jìn)行了參數(shù)對(duì)比，研究各個(gè)參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)破壞模式以及節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響并分析原因。研究了方鋼管焊接球作為剛節(jié)點(diǎn)考慮時(shí)焊接球壁厚的選取方法，并對(duì)方鋼管焊接球進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬研究。最后將中心環(huán)-套筒節(jié)點(diǎn)與方鋼管焊接球節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能進(jìn)行了比較，討論了中心環(huán)-套筒節(jié)點(diǎn)的剛度和承載力水平;
　　(5)根據(jù)上述研究結(jié)果，提出了中心環(huán)-套筒節(jié)點(diǎn)的建議設(shè)計(jì)方法，便于工程應(yīng)