大跨度空间钢网格结构K型空心弯管锥头节点力学性能分析

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钢管结构外形美观,体态轻巧,经济效益良好。本文以水利部南京水利科学研究院150m×150m超大跨度空间钢网格结构为例,当钢网格结构的跨度超限(l≥120m)时,若通长采用受力较大的杆件,由于内力梯度变化过大,将造成极大的浪费,同时由于跨度超限,这些杆件的直径均相对偏大,直接汇交节点时,若弦杆直径不增大,腹杆切弧相贯焊接很难实现。因此,超大跨度时,我们在弯曲的上弦采用“空心弯管锥头节点”来解决上述难点,以方便制作和节约钢材。  本文选取典型的上弦空心弯管锥头节点即K型空心弯管锥头节点进行分析,分析方法主要采用有限元法,在建立有限元模型时,假定所选用钢材均无初始缺陷。建立有限元模型中单元采用ANSYS弹塑性SHELL181,材料本构关系采用双线性强化模型,服从von-Mises屈服准则和随动强化法则。单元划分时根据圣维南原理采用人工划分和自动划分,并在节点应力集中区域布置较密的网格。  文中将 K型空心弯管锥头节点与普通管桁架弯管节点、变截面管桁架弯管节点进行了对比研究,K型弯管锥头节点的承载力明显优于其余两类节点,该节点还表现出与另外两类节点同样良好的强屈比与延性系数,可知该节点同样具有充足的安全储备和耗能性能。在对比三类节点的破坏模式中得到了该节点有两种破坏模式,即节点管表面塑性失效和空心切头锥受压破坏,其中空心切头锥受压破坏的节点承载力和延性均较差,但该类破坏模式并非典型破坏模式,可通过增加空心切头锥的长度和壁厚将其避免。  在 K型弯管锥头节点的参数化分析中,选取空心切头锥的坡度、节点管长度、弦杆直径与节点管直径比、腹杆与节点管夹角以及上弦排水坡度为参数,考虑其对节点承载力的影响,经过分析计算得到空心切头锥坡度与节点管长度对节点的承载力影响有限,弦管与节点管的比值越大、腹杆与节点管的夹角在30°~40°和50°~60°范围内以及上弦的坡度越小,对K型弯管锥头节点承载力的增大都能起到积极的作用。  在构造基础上分析了τ0~τ3、β1~β3和夹角θ以及坡度i对节点承载力的影响,对 K型弯管节点分析时采用单变量分析法,即一个变量改变时节点承载力随其变化的规律,然后再对其他变量逐一分析,可得各个变量对节点的影响大小。最后再考虑所有参数对承载力的影响,根据多元线性回归得出节点承载力公式。  最后研究节点的滞回性能,分析对节点承载力有重要影响的参数τ0和β3,从得出的滞回曲线和骨架曲线可以看出,K型空心弯管锥头节点的滞回曲线比较饱满,锥头节点在往复荷载作用下经历了较长的塑性变形,极限变形能力大,体现出该弯管锥头节点具有较好的耗能能力。
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