贯通插板管节点极限承载力及刚度的对比研究

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1、贯通插板管节点极限承载力及刚度的对比研究第1章绪论1.1引言钢管结构在20世纪便广泛应用于发达国家的各类工业建筑及大跨构筑物中。近十多年来，由于我国炼钢技术的发展，钢管结构在我国发展迅速，其应用范围小到广告牌、机械设备，大至停机库、展览馆、输电塔架等大型建筑物之中[1]。钢管结构在钢结构设计中越发多见，它集合了经济、美观、安全等众多优点。钢管结构能够在众多场所中广泛应用，最重要的是其本身的力学性能良好。由于圆钢管截面是任意方向对称的，因此其惯性矩对任意轴相等，承受弯矩时各个方向强度相等，杆件的稳定性容易得到保证；圆形的封闭截面使其抗

2、扭性能好，抗扭刚度是开口截面的上百倍[2]，由于沿长度方向截面基本不变，所以杆件局部稳定性较好[3]；钢管两端用端板封闭后隔离空气和水，内部很难受到腐蚀，节约了防火防腐涂料的使用，不但节省资源，并且节省工作量；钢管结构轻巧美观，相对于普通轧制型钢的结构，用钢量可以节省钢材20％以上[4]。基于钢管结构以上优点，更应该加深对钢管结构的研究以满足各类建筑物的使用需求。管结构的设计难点在于汇聚来自不同方向、不同受力情况的节点区，在较小的区域可能同时存在各个方向的弯矩、剪力和轴力[5]，因此节点区受力情况往往极其复杂，而且节点区一旦失效，便

3、会伴随着相连数根杆件相继失效，其经济损失和对人身安全的危害将是相当严重的，因此节点区成为钢管结构设计中的关键环节[6]。..1.2国内外研究现状目前国内对各类加劲形式的圆钢管板节点的系统研究还不够完善，多有概念性的分析，适用的求解公式或定量的研究落后于工程实际应用[10]，因此，本文参照前人对管板节点及带加劲肋、加劲环的管板节点采用的分析方法展开研究。以下是国内外一些学者的相关研究和结论：70年代中期，日本学者对平面K、X、TY形管板节点进行了试验研究，分析了支管只受轴力和单纯弯矩作用的情况下节点的受力性能，并提出了相对保守的承载力

4、计算公式[11]。1981年，Kurobanel对T形和X形管板节点分别进行了腹杆受拉、压作用时的试验研究，提出了管板节点的强度计算公式，分别考虑了节点板焊接在主管一侧或同一平面中主管两侧两种情况[12]。1993年，GirardC,PicardA等人管板节点进行试验，发现一半左右的试件产生剪切滞后效应，并且在考虑焊缝长度和厚度以及节点板的厚度三个几何因素的情况下得出承载力计算公式，并建议对当时的规范进行调整[13]。1994年，Paul在58个空间TT和KK型节点试验结果的基础上，使用多元回归分析得到空间管节点极限承载力公式。分析

5、表明空间各支管受力大小、方向、插管角度关系复杂对承载力影响相当大，承载力影响范围在0.5～1.3之间[14]。1995年，Seng-KeatYeoh和AiKahSoh对主管单独承受轴力、平面内弯矩及平面外弯矩时与几种荷载同时作用时进行比较，发现当承受组合作用的时候，节点的破坏位置发生很大的转变，并且之前的承载力计算公式将不再适用[15]。1995年，K.RamaRaju和M.N.KeshavaRao对T形相贯节点加劲前后进行了实验及有限元对比研究，分析了节点加强前后应力变化和塑性发展的过程，指出这种加强方式的适用性[16]。第2章有

6、限元理论基础2.1概述随着计算机仿真的发展，Abaqus、Adina、Ansys、Marc等有限元模拟软件被广泛应用于工程、科学研究领域[37]。这些软件可以精确分析各类复杂结构、特殊边界问题，动力和静力问题，以及在外部作用下结构的非线性反应[38]。对于本文分析的管板节点，节点区受到不同大小、不同方向的力及弯矩作用，应力状态多变，足尺试验在设备和成本上受到限制，有限数量的试件不可能涵盖众多几何参数的变化，并且实验过程中的各种偶然及人为因素容易产生与实际较大的不符，不能对节点工作性能全面掌握。而计算机求解技术恰恰能够避免这种偶然因素

7、产生的误差。运用有限元法对其进行数值模拟是一种有效的办法，通过变参数分析，了解不同尺寸节点受力全过程可以加深对其受力性能的认识，也可为计算公式的建立提供参考[39]。能否建立准确的模型是进行参数分析最关键的一步。本章目的是在忽略次要影响因素的情况下能够快速建立准确、合理的有限元模型。因此，需要综合考虑影响节点承载力及刚度的各种因素[40]，如：单元类型的选取；部件间的相互作用；网格精度及增量步大小等。通过选取与本文研究类似的管板节点试验的基础上，建立与实验条件相同的有限元分析模型，通过反复修改模型的网格尺寸、单元类型、增量步大小能够

8、使计算成本合理、分析结果与试验结果偏差在可接受范围内，通过自带的后处理模块中的场变量输出及历程变量输出得到任意时刻节点的应力发展和变形情况，为后文参数分析做准备。2.2弹塑性分析基本理论弹性理论较为简单，用于分析物体在弹性阶段的应力和