大尺寸焊接空心球节点极限承载力研究

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学校代号：１０７３１学号：０８２０８１４０２０４０密级：公开兰州理工大学硕士学位论文大尺寸焊接空心球节点极限承载力研究

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兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明

原创性声明

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作者签名：日期：刃／年多月７｝日导师签名：日期：驯年易月７日

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硕士学位论文

目录

摘要………………………………………………………………………………………………………．ＩＡｂｓｔｒａｃｔ………………………………………………………………………………………………………ＩＩ第１章绪论…………………………………………………………………………１１．１概述……………………………………………………………………………………………………１１．２焊接空心球节点的研究现状…………………………………………………．．２１．３本文研究背景…………………………………………………………………６１．４本文研究内容…………………………………………………………………６第２章分析焊接空心球节点采用的有限元理论……………………………………８２．１概述……………………………………………………………………………………………………８２．２焊接空心球节点有限元分析中常用的单元……………………………………８２．３焊接空心球节点有限元分析中考虑的非线性………………………………．．９２．４本文采用的非线性方程组求解方法…………………………………………１２第３章大尺寸焊接空心球节点承载力试验研究…………………………………．１５３．１试验研究……………………………………………………………………．１５３．２有限元计算模型………………………………………………………………１７３．２．１几何模型的选取……………………………………………………………．．１７３．２．２有限元模型的建立……………………………………………………………．１８３．２．３有限元方法的验证…………………………………………………………．１８３．３焊接空心球节点试验中的破坏准则…………………………………………１９３．４未加肋节点的有限元分析……………………………………………………１９３．４．１有限元计算结果……………………………………………………………．１９３．４．２主钢管壁厚较小时节点的破坏模式……………………………………．．２３３．４．３主钢管壁厚较大时节点的破坏模式……………………………………．２５３．４．４节点承载力与主钢管壁厚增量的关系………………………………………．．２６３．４．５有限元计算与规程对比…………………………………………………”２７．３．５加肋节点的有限元分析…………………………………………………………２８

３．５．１有限元计算结果……………………………………………………………．２８３．５．２主钢管壁厚较小时节点的破坏模式……………………………………………．．３０３．５．３主钢管壁厚较大时节点的破坏模式………………：…………………”３ｌ３．５．４极限承载力与规程值的对比………………………………………………３２３．６本章小结……………………………………………………………………３３第４章双向受压的焊接空心球节点承载力分析………………………………………．３４４．１概述…………………………………………………………………………………………………．３４４．２有限元模型的建立……………………………………………………………………………．．３４４．３有限元分析……………………………………………………………………３５４．３．１几何参数的选取…………………………………………………………………………．３５

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大尺寸焊接空心球节点极限承载力研究

４．３．２两管垂直时的计算结果…………………………………………………… ３６４．４本章小结……………………………………………………………………………………４５结论与展望……………………………………………………………………………４６结

展论…………………………………………………………………………………………………… ４６望…………………………………………………………………………………………………… ４７参考文献……………………………………………………………………………………………４８致谢…………………………………………………………………………………………… ｉ……一５１附录Ａ（攻读学位期间所发表的学术论文目录）…………………………………… ５２

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硕士学位论文

摘要

近年来，随着多个大型国际盛会的成功举办，大跨度空间结构在我国发展迅速。实践证明，大跨度空间结构的发展与节点的研究是密切相关的。经过近五十年的发展，焊接空心球节点在我国的应用比较广泛，研究也较为成熟。随着一些新兴复杂结构体系的出现，有必要对焊接空心球节点进行进一步的研究来满足新的要求。

因目前直径大于５００ｍｍ的焊接空心球制作质量离散性较大，试验数据离散性较大，同时试验数据也较少，因此规程中要求对于直径大于５００ｍｍ的焊接空心球，对其承载力设计值应考虑０．９的折减系数，以保证足够的安全度，并且在施工应用中应进行相应的试验。但目前规程对空心球节点的破坏准则以及承载能力的确定方法说明的并不是很明确。尽管ＪＧＪｌｌ－２００９中对焊接空心球节点极限承载力的试验方法规定为试验时需要适当增加钢管壁厚，但是到底需要将钢管壁厚加厚到什么程度并没有明确的说明。对三组焊接空心球节点进行承载力试验也发现，均是钢管先于空心球体屈服而导致不能继续承载，空心球体并未发生明显的变形。

利用ＡＮＳＹＳ有限元程序对外径为８００ｍｍ的５组１３１个空心球节点进行单向受压分析，得到了尺寸不同的钢管与空心球匹配关系下，球节点的破坏模式及相应的节点极限承载能力，并对外径为８００ｍｍ的空心球进行受压试验时钢管壁厚需要的增加量提出了参考值。

另外，以往试验研究认为实际空心球节点，当杆件相距不是很近时彼此之间的影响不大，破坏荷载可以单向受力时的情况为依据，但是并没有具体的研究分析。

对外径为８００ｍｍ的８组１２４个空心球节点双向受压力作用下的极限承载力进行有限元分析。结果表明当平面内受压两管间的夹角较小时，双管之间夹角的改变对空心球节点双向受压时的极限承载能力有比较明显的影响。当两管间的夹角小于７０。时，随着次管外径的增大，节点的极限承载力呈近似线性的下降趋势。当两管间的夹角在７０。一９０。之间时，随着次管外径的增大，节点的极限承载力并没有明显的变化。

关键词：极限承载力；破坏模式；钢管壁厚增加量；参数分析；大尺寸；双向受力

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大尺寸焊接空心球节点极限承载力研究

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硕士学位论文

第１章绪论

１．１概述

近几十年来，随着轻质高强新型材料的广泛应用，施工技术的提高以及电子计算机技术的迅猛发展，大跨度空间结构是发展最快的结构形式之一。随着科技的不断进步，人类社会精神文明和物质文明的不断提升。人类的各种社会活动和生产活动需要越来越大的覆盖空间来实现，尤其是既能满足很大的室内空间构造又比较简单的建筑物更受欢迎。而大跨度空间结构作为一种新兴的结构体系正好可以满足这些要求。尤其是近年来，随着工程实践的数量日益增多，有关空间结构的理论研究和设计技术日趋完善，空间结构的类型和形式也越来越新颖和多样化。北京奥运会、上海世博会以及广州亚运会等大型国际盛会的成功举办都极大地促进了空间结构在我国的迅速发展。

为迎合各种不同的需求，大跨度空间结构的形式丰富多样，一般地可以归为以下几种类型：折板结构、薄壳结构、网壳结构、网架结构、悬索结构、膜结构以及杂交结构【ｌＪ。近年来随着空间结构的发展以及仿生学等概念的提出，又出现了鸟巢型网架结构、组合网格结构、空腹网壳结构、张弦梁结构、索穹项结构等很多新型结构。随着空间结构的发展，还将不断涌现出更多新型的结构形式。而计算机等大型计算工具的应用和发展，进一步给空间结构注入了新的活力，为分析空间结构的受力合理性提供了有力的保证。特别是近年来的有些大型有限元分析软件及工程计算软件的深入发展与应用，使对一些较为复杂的空间结构的理论计算和受力分析成为可能。

大跨度空间结构的发展与节点的发展是密切相关的。节点在网架、网壳等结构中作为连接不仅传递内力、很好地处理了汇交杆件的问题，也是网架与屋面结构、天棚吊项、管道设备等连接的关键，是网架、网壳等空间结构的重要组成部分。有人做过统计，节点用钢量在整个网架用钢量中占到了１／５～１／４ｔ２１。而且节点对整个网架的制作安装、工程进度、用钢量指标以及工程造价都有直接影响，节点设计的好坏将直接影响到网架设计的优劣【３】。１９６５年天津大学刘锡良【４】教授研究发明了焊接空心球节点，并在国内首次应用于天津科委礼堂。之后由于焊接空心球节点造价相对低廉、加工工艺也不复杂，而且因杆件自然对中可以避免节点的偏心受力，在国内得到了广泛的应用。在我国焊接空心球节点的应用和研究较为成熟，随着新型结构形式的出现以及更为复杂的结构体系的诞生，关于焊接空心球节点的研究理论已经不能完全满足新的结构形式发展的要求，因此关于焊接空心球节点的研究仍存在一些新的问题有待进一步研究解决。

中国正处于快速稳定发展的上升时期，随着国力的日益增强，对外交流的进一步扩大，需要建设更多体育、展览、会议和机场等大空间覆盖建筑，这是空间

大尺寸焊接空心球节点极限承载力研究’结构进一步发展的好机会。而实践证明，理论研究是工程实践的基础，依托工程。ｌ实践，能让理论研究有更实际更深层次的深入进展。随着应用范围的扩展我们有必要对出现新问题的领域，进行更深一步的研究。

１．２焊接空心球节点的研究现状

焊接空心球节点首先于５０年代在德国开始使用。在网架的制造过程中，钢管与空心球的连接需要在施工现场进行，而焊接必须是全方位的。焊缝的质量要求高，焊接的工作量很大，尤其在现场施焊时，焊接变形会导致尺寸的偏差，焊接时需留焊接变形余量不好控制，而且对焊接质量要求有较高的准确度。因为国外的焊接费用是相当高的，以至于近年来焊接空心球节点在国外已经很少见到了。而相对来说，我国有着丰富的人力资源，焊接费用相对比较便宜，故１９６５年天津大学刘锡良教授研制发明了焊接空心球节点并首次应用于天津科委礼堂后，作为我国网格结构中的一种合理节点形式得到了大量的推广应用。

焊接空心球节点是由两个半球对焊而成的，半球有冷压和热压两种加工成型方法。热压成型不需要很大压力，工艺也不复杂，是当前主要采用的成型方法；冷压不仅需要较大压力，而且对模具的磨损较大，现在已经采用较少了。焊接空心球节点的构造简单，受力明确，钢管与空心球的连接也方便。由于球体为各向同性，圆钢管只需要切割面和杆件的轴线垂直，就能保证杆件在空心球上自然对中而不产生偏心。因此，焊接空心球节点适应性强，尤其对三向网架、三角锥网架和六角锥网架更加适宜。

目前对于焊接空心球节点的研究方法主要为两类：一类是通过进行试验观察研究焊接空心球节点的破坏现象分析其破坏机理及极限承载能力；另一类则是在足尺试验的基础上，利用通用有限元软件对焊接空心球节点进行大量的计算分析，以了解其受力性能及各种参数变化对它的影响。由于经济条件等因素的限制，对节点进行试验的数量总是有限的，所以这种方法主要适用于早期对节点破坏机理等基本理论的探索中。随着焊接空心球节点的大量应用，试验数据的广泛积累，基础理论的完善，用后一种方法研究解决工程中出现的新问题已经成了普遍应用的方法。

（１）试验研究

试验研究方法是建立在试验基础上的一种分析方法，通过统计大量的试验数据，并回归分析得出经验公式。因为在对所研究对象的受力机理不是很明确的早期研究中，通过试验可以很直观地了解研究对象的一些基本信息，为后续的理论研究提供有用的建议及安全保障，是早期的研究中建立设计计算公式的一种最基本的方法。