基于半刚性节点的椭圆形弦支穹顶力学性能的研究

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1、基于半刚性节点的椭圆形弦支穹顶力学性能的研究StudyonMechanicalPerformanceofEllipticalSuspendomeBasedontheSemi-rigidJoint基金资助：国家自然科学基金（51408414）高等学校博士学科点专项科研基金（20130032120024）学科专业：建筑与土木工程作者姓名：齐国材指导教师：闫翔宇高级工程师陈志华教授企业教师：何彩云高级工程师天津大学建筑工程学院二零一七年十一月摘要椭圆形弦支穹顶因建筑形态与功能适应性强且属绿色高效的结构体系，近年来在基础设施

2、建设中得到广泛应用。目前对这种结构的研究还不系统，特别是节点刚度的影响还未得到足够的重视，结构形态的不同使得球面弦支穹顶的成果不完全适用，制约了椭圆形弦支穹顶的发展与应用。（1）基于研读国内外大量相关文献，对比分析指出目前已有的刚度计算公式计算结果差异较大的问题，阐述了考虑节点刚度影响的空间网格结构力学性能的研究现状，提出了本文主要研究内容。（2）以调研近些年完成的椭圆形弦支穹顶结构上部网壳节点和钢管规格为基础，结合工程实际和现行规范，同时采用正交设计法，并考虑试验设备和场地等因素，对焊接空心球节点进行试验方案设计。

3、完成试件的材性试验得到钢材的应力—应变关系，为后文有限元分析提供数据支撑。（3）分别选取了9种和6种规格的焊接空心球节点试件，进行了节点刚度试验，直观了解圆钢管焊接球节点在纯弯矩作用下与轴力和弯矩共同作用的力学性能，依据试验结果得到不同受力状态下节点抗弯刚度的大小。发现管径与球径比（d/D）影响最大，球壁厚（t）影响次之，钢管壁厚（δ）影响最小，偏心距（e）对节点抗弯刚度影响很小。根据试验现象和分析建议：当弯矩作用较大时，焊接球节点的的焊接球壁厚与钢管壁厚（t/δ）比值不宜小于2.0。（4）采用线性强化应力—应变关系

4、和Von-Mises屈服准则，同时考虑几何非线性的影响建立了焊接空心球节点的有限元分析模型，进而研究焊接空心球节点在不同荷载组合作用下的力学性能，通过弧长法迭代跟踪球节点的弯矩—转角曲线。根据试验结果和有限元分析本文提出了焊接空心球节点抗弯刚度的计算公式。可供实际工程设计采用，也可供相关规程修订参考。（5）以2022年北京冬奥会场馆——北方学院体育馆弦支穹顶工程为背景，采用有限元分析软件MidasGen分别对比分析了半刚性节点和完全刚接节点的弦支穹顶结构模型。考虑半刚性节点后，通过静力分析发现节点刚度对弦支穹顶网壳中

5、部杆件和对称轴处的边部杆件的弯矩影响较大，上部网壳结构的最大位移增加30%左右，网壳最大内力变化不大。通过结构特征值屈曲分析和非线性分析，结构的临界荷载系数有所降低。当考虑半刚性节点后，结构前十阶的自振频率很接近；十阶之后结构的自振频率较低，但整体差距不大。关键词：半刚性节点，节点刚度，椭圆形弦支穹顶，焊接空心球节点，试验研究，有限元分析，抗弯刚度公式IABSTRACTEllipticalsuspendomeisakindofgreenbuildingthathashighefficiencyforitsgreata

6、daptabilitytoarchitecturalsculptureandfunction.Ithaswonwidelyinapplicationsdomesticinfrastructureconstructionforthepastfewyears.However,relatedresearchonthisstructureisstilllimited,especiallyoninfluenceofjointstiffness.Duetoitsdifferentstructuralmorphology,pres

7、entresearchresultsonsphericalsuspendomecannotbedirectlyusedonthisstructure,causinglimitationsonthedevelopmentandapplicationofellipticalsuspendome.Basedonthestudyofalargeamountofrelevantliteraturesathomeandabroad,thedifferentcalculationformulasofjointstiffnesswe

8、recomparedandanalyzed.Thentheresearchresultofthemechanicalpropertiesofthespatialgridstructureconsideringtheinfluenceofthestiffnesswereoverviewed,Theresearchstatusofthemechan