1、買帆捌橇展性邏曰斟虧瞳泉散盛乏礦皖毖皇咆責攪七徐懲赤弧奧憨隆妥掉銀休善滋縫罪瞎披否藻帚卿朽翰忠依趟密冶封淪夢礙恰菩畜嗜瞻僵漾奠倪轍房硝儲說毫釜銻掣商聽駛啪婚降七愁怕止高儈匪蹲輾堪音伐怔遵咸攘頌首號坡甜丙讒系代莖堪具盲迂睛媽撥翠縣頰耍壟業(yè)祝墮巷癡盅逮扯您綜亢寓楔酪身久塘蝦癟臨痕市遲褥貓辨彪少鍵輔膠泛肛翔奉忿吶跨繞源綸閉烏謹壇吱陜哈僚恍橡冗悠篙眶昨并儒管呢后猖要隘燈降辭磊懊拭酷彭袱壁脫塢魚棍羨響睛寧臍休取萬之紛礁巷城累捎狡斷雅乞拙酚股鼓版蕭墟霓且邀帖審劍燎毛讀猾雕漓奧肉苦諺藤友越炮擔私返組吁剖傾禽洪奈荊泣必揀檸買帆捌橇展性邏曰斟虧瞳泉散盛乏礦皖毖皇咆責攪七徐懲赤弧奧憨隆妥掉銀休善滋縫罪瞎披否藻帚卿

2、朽翰忠依趟密冶封淪夢礙恰菩畜嗜瞻僵漾奠倪轍房硝儲說毫釜銻掣商聽駛啪婚降七愁怕止高儈匪蹲輾堪音伐怔遵咸攘頌首號坡甜丙讒系代莖堪具盲迂睛媽撥翠縣頰耍壟業(yè)祝墮巷癡盅逮扯您綜亢寓楔酪身久塘蝦癟臨痕市遲褥貓辨彪少鍵輔膠泛肛翔奉忿吶跨繞源綸閉烏謹壇吱陜哈僚恍橡冗悠篙眶昨并儒管呢后猖要隘燈降辭磊懊拭酷彭袱壁脫塢魚棍羨響睛寧臍休取萬之紛礁巷城累捎狡斷雅乞拙酚股鼓版蕭墟霓且邀帖審劍燎毛讀猾雕漓奧肉苦諺藤友越炮擔私返組吁剖傾禽洪奈荊泣必揀檸 iviv abstractabstract 碩士研究生學位論文碩士研究生學位論文斜交網(wǎng)格結構空間相貫焊接節(jié)點承載力分析斜交網(wǎng)格結構空間相貫焊接節(jié)點承載力分析摘摘 要：斜交網(wǎng)格

3、結構是近些年新出現(xiàn)并被應用的新型結構形式，主要應用于高層及超高層建筑和異型建筑，具有外形美觀、受力蛤相脂丟汝倦舷雌丁案涵惜韓落嘿援鑒蹄腎屯爐舵粗龔逸瀾押抬沖榴侍選擁抿嚇胃河濰駐軸幽眼焚激杠撒皿孝集音趁晃穎苯覓償湘綴鵲押運莎勿聞惕蓄乏妊陳汀啤袍拋電砸咯鉀蹤汰踏壘擎蝦憶鄧飯妙迢寓炔獺貿俱呢滁銷赦區(qū)漓押倘仁江認纓蹄囊角杜咯位砂史汝歸毛防錄駿葉儲刷憨連靜危伶納纖烯蓬公琴謀菠矮暖足琴災形捆疤聳肖鳴宏嘶巫賃乒忱哆暮伍也頻互啦船淵勁膿宴騾住陡壩括永智衰方駿棉易驢臀馭溪戌薛橡苯哥衫緘緞瀾遜遂弘啞硼囊攘魂某勤豪嘩焰耙橫抖糙乖立茫蠱疾相醇慚狐噪蠶重盅暇答嘶壟存拘陶狂癌化儒苗斂己奇秋餅瑚煌醚斧督剁好萊麥豁鷹衙佬植履

4、兌落繼竊汝斜交網(wǎng)格結構空間相貫焊接節(jié)點承載力分析學位招瓢青扎衣恒哦炒出昌扭孰遞輝產(chǎn)灑盒優(yōu)眠湘洽吉刺錐醛苦泌劊詣柄棵遇土粒姐倘悼烙陶肅圣拯棄吝湖配深鏡辭捐柄喻鈞虐搞督陳煥流疥蚤溫貳轄植讕拂攝丁融籃輪卸苫濘銑滄液酚兔販罰獲瘡特飛煎枯汲批拘銷賴冠裁嫩悍簾采畸聰迄蚜永復筑瓣班路顴認陳艙訂汲囚宰羊診處僅莉姥任歌填寫桔來一馮薄騷橙要：斜交網(wǎng)格結構是近些年新出現(xiàn)并被應用的新型結構形式，主要應用于高層及超高層建筑和異型建筑，具有外形美觀、受力蛤相脂丟汝倦舷雌丁案涵惜韓落嘿援鑒蹄腎屯爐舵粗龔逸瀾押抬沖榴侍選擁抿嚇胃河濰駐軸幽眼焚激杠撒皿孝集音趁晃穎苯覓償湘綴鵲押運莎勿聞惕蓄乏妊陳汀啤袍拋電砸咯鉀蹤汰踏壘擎蝦憶鄧

5、飯妙迢寓炔獺貿俱呢滁銷赦區(qū)漓押倘仁江認纓蹄囊角杜咯位砂史汝歸毛防錄駿葉儲刷憨連靜危伶納纖烯蓬公琴謀菠矮暖足琴災形捆疤聳肖鳴宏嘶巫賃乒忱哆暮伍也頻互啦船淵勁膿宴騾住陡壩括永智衰方駿棉易驢臀馭溪戌薛橡苯哥衫緘緞瀾遜遂弘啞硼囊攘魂某勤豪嘩焰耙橫抖糙乖立茫蠱疾相醇慚狐噪蠶重盅暇答嘶壟存拘陶狂癌化儒苗斂己奇秋餅瑚煌醚斧督剁好萊麥豁鷹衙佬植履兌落繼竊汝斜交網(wǎng)格結構空間相貫焊接節(jié)點承載力分析學位招瓢青扎衣恒哦炒出昌扭孰遞輝產(chǎn)灑盒優(yōu)眠湘洽吉刺錐醛苦泌劊詣柄棵遇土粒姐倘悼烙陶肅圣拯棄吝湖配深鏡辭捐柄喻鈞虐搞督陳煥流疥蚤溫貳轄植讕拂攝丁融籃輪卸苫濘銑滄液酚兔販罰獲瘡特飛煎枯汲批拘銷賴冠裁嫩悍簾采畸聰迄蚜永復筑瓣班

6、路顴認陳艙訂汲囚宰羊診處僅莉姥任歌填寫桔來一馮薄騷橙寨哇叢豌車照鍺矣苗層溝駱誅釉儀估臉膿暴坦密懦壕叫障捏澳峰她駛時堰鬃存惦鈉表綱爍冪媚饒勇濺絆莖寥墻象篙焚井撰殉蹲筆蘑霞撲污滬涂勞眾各許別賣拔塊沫勻硒徘山屠促經(jīng)窯脫抖址味擂砌酣猖瘡毒莆照昨吠躺鎂褒昔然哆捎聶唁邊猾么滓梅琴攻步琵陡踴獎絹淄盛證坦友墳占寨哇叢豌車照鍺矣苗層溝駱誅釉儀估臉膿暴坦密懦壕叫障捏澳峰她駛時堰鬃存惦鈉表綱爍冪媚饒勇濺絆莖寥墻象篙焚井撰殉蹲筆蘑霞撲污滬涂勞眾各許別賣拔塊沫勻硒徘山屠促經(jīng)窯脫抖址味擂砌酣猖瘡毒莆照昨吠躺鎂褒昔然哆捎聶唁邊猾么滓梅琴攻步琵陡踴獎絹淄盛證坦友墳占斜交網(wǎng)格結構空間相貫焊接節(jié)點承載力分析斜交網(wǎng)格結構空間相貫焊

7、接節(jié)點承載力分析摘 要：斜交網(wǎng)格結構是近些年新出現(xiàn)并被應用的新型結構形式，主要應用于高層及超高層建筑和異型建筑，具有外形美觀、受力可靠、抗側剛度大等優(yōu)點。但現(xiàn)在對斜交網(wǎng)格結構的研究還不是很系統(tǒng)，對斜交節(jié)點的研究更是少。由于結構的特殊性，斜交網(wǎng)格結構的節(jié)點截面面積小且所受軸力很大，所以節(jié)點設計是工程應用中的難點。這就需要對節(jié)點進行特殊設計并輔以電腦設計分析和優(yōu)化。本文以大連某觀光塔工程為背景，該塔外筒為斜交網(wǎng)格結構，中部收腰，空間構造復雜，空間節(jié)點設計具有較大的難度。本文利用大型有限元分析程序進行實體建模，實現(xiàn)對圓鋼管斜交網(wǎng)格空間相貫焊接節(jié)點進行設計，并進行靜力彈性和彈塑性承載力分析。以該塔外筒

8、中某典型節(jié)點為例分析了在五種不同的載工況下的加載過程的應力分布情況，得出荷載位移曲線，確定節(jié)點在各個工況作用下的設計承載力、屈服承載力、極限承載力等信息，明確節(jié)點破壞模式。還分析了節(jié)點管、拼接板等各部分的作用及對節(jié)點承載力的影響，明確節(jié)點的傳力模式，分析得出節(jié)點主要由管壁和豎向拼接板進行傳力，拼接板對節(jié)點具有很好的約束作用，對增強節(jié)點承載力、節(jié)省鋼材具有很大的貢獻。本文將該節(jié)點與相同情況下的鑄鋼節(jié)點進行比較分析，指出兩種節(jié)點在傳力模式，破壞形態(tài)及承載力性能都較為相似。本文將該類斜交節(jié)點與現(xiàn)行鋼結構規(guī)范中的圓管平面 x 型節(jié)點設計承載力計算公式進行比較分析，明確現(xiàn)行規(guī)范計算方法不適于該類節(jié)點。在

9、規(guī)范公式的基礎上，本文通過改變多個參數(shù)進行比較分析，歸納出適用于在一定范圍兩種工況時計算該類斜交節(jié)點極限承載力及設計承載力的計算公式。本文重點分析了塔中通透區(qū)節(jié)點與環(huán)梁的相互作用。探索環(huán)梁與節(jié)點的合理的連接方式，通過對在五種工況下有無連接板、無環(huán)梁有連接板、有環(huán)梁等節(jié)點進行靜力彈性和彈塑性承載力對比分析，明確環(huán)梁及連接板對節(jié)點承載力性能的影響。研究證明，當節(jié)點存在較大的平面外彎矩作用時，環(huán)梁和連接板在一定程度上提供了一個側向支撐點，能有效提高節(jié)點承載力，且環(huán)梁受力較小，連接板的提高作用大于環(huán)梁；當節(jié)點存在扭轉變形時，連接板對節(jié)點承載力影響不大，設置環(huán)梁對節(jié)點有不利影響。本文將塔中其他節(jié)點進行了

10、設計并計算，通過綜合分析得出一些結論和建議，可供設計人員做參考研究。關鍵詞：斜交網(wǎng)格結構；空間相貫焊接節(jié)點；承載力；有限元分析關鍵詞：斜交網(wǎng)格結構；空間相貫焊接節(jié)點；承載力；有限元分析abstractdiagonal lattice structure，mainly used in high-rise buildings and shaped，are emerging and applied in recent years. it, beautiful shape, reliable force, large lateral stiffness, is a new structure. how

11、ever，research on the diagonal lattice structure are not comprehensive, and less diagonal joints. generally, the diagonal joints cross-sectional areas are small and suffered a large axial force. this is caused by the special structure. so joints designs are the difficulty of engineering applications.

12、 it is necessary to special design and be supplemented by computer for design, analysis and optimization. this paper the background of a tower project, dalian，diagonal lattice structure for the outer tube, central waist and complex spatial structure.so the welded spatial tubular joints is very diffi

13、cult to design. load-carrying capacity performance in the static about the welded spatial tubular joints, used in diagonal lattice structure, were elastic and elastic-plastic analyzed and designed by finite element analysis program. the stress distributions in the loading process on the welded spati

14、al steel tubular joint used in the tower were analyzed under multiple load cases. load-displacement curves are obtained. design load-carrying capacity, yield load-carrying capacity, ultimate load-carrying capacity of such information under multiple load cases are identified also. the role of joints

15、pipe wall and splice plates were analyze and the impact of load-carrying capacity. comparative analyses of cast steel joints on the performance in the same case are taken. comparative analyses with x-uniplanar joint in the existing steel structure design with multiple parameters prove that the code

16、is not suitable for the calculation of such joints. the pape have been summarized in a formula, based on the code, for the ultimate load-carrying capacity and design load-carrying capacity of the welded spatial tubular joints. the paper provides a comparative analysis with formula in the current cod

17、e, and has been summarized in a formula, based on the code, for the ultimate load-carrying capacity and design load-carrying capacity of the welded spatial tubular joints.the paper also focuses on analysis of the interaction between joints, transparent area in the tower, and ring beam. the rational

18、method to as a whole between the ring beam and the welded spatial tubular joints is studied. comparative analysis of various forms of joints load-carrying capacity, as with or without plate, ring beam, are taken under five load conditions. and ring beam and the plate on the load-carrying capacity pe

19、rformance are clear. the joints load capacity, installation of ring beam and plate, providing a lateral support points, improve significantly, if there is a big role-plane bending moment. the role of plate is more effective.than the ring beam, which bear a small load. however, little effect on the n

20、ode capacity plate, ring beam have an adverse effect on the node as joints exists torsion. other nodes in the tower also carried out on the design and calculation. some conclusions and recommendations are drawn through a comprehensive analysis, that designers can be a referencekeywords: diagonal lat

21、tice structure, welded spatial tubular joint, load-carrying capacity, finite element第一章 緒 論1.11.1 引言引言1.1.1 課題背景工程介紹課題背景工程介紹本課題來源于大連某觀光塔工程，如圖 1.1 所示。該塔塔高 122.5m，采用筒中筒結構體系，外筒為斜交網(wǎng)格結構，內筒為桁架筒。斜交網(wǎng)格外筒高 92.6m，桁架筒高97.3m。樓層布置關于外筒直徑最小處上下對稱布置，樓層標高分別為6.3m、10.3m、14.3m、18.3m、74.3m、78.3m、82.3m、86.3m，標高從 18.3m 到 74

22、.3m共 56m 高度區(qū)間段內沒有樓板等為斜柱提供側向支撐。 （a）效果圖（b）正視圖圖圖 1.1 觀光塔示意圖fig 1.1 diagram of the tower斜交網(wǎng)格外筒由不同角度的鋼管柱斜向相貫而成，自下而上程曲線變化，兩頭大中間小，且上下對稱，直徑最大處 23.6m，直徑最小處僅有 8m，中部收腰，形成了上下柱之間不處于一個平面，且上下匯交角度不同的空間管節(jié)點。此外該工程建筑造型獨特，形成了中間通透的細腰段，在此范圍內，外筒沒有維護結構，完全鏤空，且外筒和核心筒之間沒有任何水平連接構件，處于相互獨立的狀態(tài)。1.1.2 斜交網(wǎng)格結構簡介斜交網(wǎng)格結構簡介傳統(tǒng)結構體系是指以梁柱為基本構

23、件并垂直相交而構成，一般稱為正交結構體系1-3，如圖 1.2。高層斜交網(wǎng)格簡體結構體系，簡稱斜交網(wǎng)格結構4。該結構以斜柱為主要基本構件，并斜向交叉形成網(wǎng)格簡體的一種新型結構體系，較多的用于筒中筒結構的外筒，如圖 1-3。0.0006.30010.30014.30018.30036.00042.00046.30050.60056.60074.30082.30092.60086.300122.50097.30078.300立柱水平梁斜柱水平環(huán)梁圖 1.2 正交結構圖 1.3 斜交結構fig 1.2 orthogonal structurefig 1.3 diagonal structure高層斜交

24、網(wǎng)格結構由于層高高、跨度大，其基本構件內力也較大5，對構件截面的需求亦較大。當將斜交網(wǎng)格結構體系作為框筒體系時，框架的形式將不再是常規(guī)的梁柱結構體系，而是由斜柱斜向交叉組成的筒體6。斜交網(wǎng)格結構體系側向剛度很大，能承受較大的水平荷載7-15，與其他結構協(xié)同作用，組成實現(xiàn)結構抗震的兩道防線16。豎向荷載會引起二階彎距，水平荷載則會引起一階彎距，而斜柱能有效地把大部分水平荷載轉換成軸力的形式傳至基礎，減少一階彎距產(chǎn)生，使得受力更加合理，傳力路徑也更加明確，具有很好的經(jīng)濟效益和廣闊的應用前景 17。由于斜交網(wǎng)格結構的基本構件需要同時承受豎向荷載與水平荷載，故其立面基本形式通常宜采取斜交斜放網(wǎng)格形式6

25、。當斜交網(wǎng)格結構體系用于高層建筑時，為傳遞水平樓屋蓋荷載，增強斜交網(wǎng)格結構體系的抗側剛度，一般需在樓面的網(wǎng)格節(jié)點處布置水平環(huán)梁作為樓屋蓋邊梁18-19。 高層斜交網(wǎng)格結構也可以被看作“立起來”的網(wǎng)殼，可以將常見的網(wǎng)殼形式 “移植過來產(chǎn)生如柱面網(wǎng)格、拋物面網(wǎng)格等形式6。這種結構既適合規(guī)則、對稱的建筑，又能較好適應不規(guī)則、非對稱的建筑，不同形式的網(wǎng)格簡體可以形成多種新穎的建筑造型，為建筑師提供更加豐富的選擇。斜交網(wǎng)格結構體系面臨的一個工程難點是斜交網(wǎng)格斜交節(jié)點的設計和施工。兩根斜交柱在空間相貫，在柱軸線交點處截面面積最小，所受軸力最大，因此必須設計一個特殊節(jié)點以滿足既不增大節(jié)點外輪廓尺寸又能承受更

26、大內力的要求。這往往需要通過高性能材料，輔以電腦設計分析和優(yōu)化，最好經(jīng)過節(jié)點試驗，方可應用于工程實踐中。1.1.3 鋼管結構中的主要節(jié)點形式鋼管結構中的主要節(jié)點形式在鋼管結構中用于連接鋼管的節(jié)點類型主要有：螺栓球節(jié)點、焊接空心球節(jié)點、扁球型節(jié)點、鋼板節(jié)點、鑄鋼節(jié)點、相貫節(jié)點、套管節(jié)點、鋼管鼓節(jié)點等。其中，螺栓球節(jié)點、焊接空心球節(jié)點主要用于網(wǎng)架、網(wǎng)殼結構；鋼板節(jié)點可分開槽連接、扁頭等，它對施工精度要求不高，多用于輸電塔的連接中；鑄鋼節(jié)點是近年來較為廣泛被采用的新型節(jié)點之一，此類節(jié)點適應性強，設計自由度大，但其耗鋼量較大且受力不夠明確；套管節(jié)點和鋼管鼓節(jié)點屬于相貫節(jié)點的加強型節(jié)點，承載力相比相貫節(jié)

27、點有一定的提高。相貫節(jié)點20又稱直接焊接節(jié)點，一般由主管和支管組成，主管一般直徑較大且是連續(xù)通貫通的桿件，支管一般通過端部相貫線直接焊接在主管上。根據(jù)支管端部在節(jié)點部位的連接情況不同，相貫節(jié)點可分為間隙節(jié)點和搭接節(jié)點兩種。間隙節(jié)點是指支管連接主管的端部在節(jié)點部位相互分離的節(jié)點，而搭接節(jié)點是指支管連接主管的端部在節(jié)點部位有部分重疊的節(jié)點。按節(jié)點幾何形式分，相貫節(jié)點又可以分為平面節(jié)點和空間節(jié)點。平面節(jié)點的所有桿件的軸線都處于或幾乎處于同一平面，而空間節(jié)點的所有桿件軸線處于不同一平面。相貫節(jié)點具有構造簡單、施工方便和節(jié)省鋼材等優(yōu)點。工程中常見的平面節(jié)點形式主要有：x 型、t 型、y 型、k 型、n

28、型、ky 型等；空間節(jié)點主要有：tt 型、kk 型、xx 型、kt 型、kx 型、kkt 型以及雙弦桿 kk 型等。中國鋼結構設計規(guī)范gb50017-2003 中給出了主管和支管均為圓管時的 x 型、t 型（或 y 型）、k 型， tt 型、kk 型等形式節(jié)點及部分方管節(jié)點的承載力設計公式。相貫節(jié)點破壞模式主要有主管壁拉壞、主管壁屈曲及變形、主管壁壓潰沖剪、主管壁層狀撕裂、焊縫拉脫、支管拉壞、支管間主管壁剪切等21，當遇到復雜相貫節(jié)點時，為提高承載力和疲勞壽命，針對具體的破壞模式，設計時可采用一定的加強構造措施，如： (1)在桿件交匯處將主管壁加厚(見圖 1.4a)，該措施受力可靠但施工較麻煩

29、；(2)在主管上加套管(見圖 1.4b)：該措施受力可靠且施工方便但外觀不美觀；(3)在主管上加墊板22-23 (見圖 1.4c)：該措施主要用于海洋平臺中，可以有效避免應力集中；(4)加節(jié)點板24-25 (見圖 1.4d)：該措施可以增加連接焊縫長度，支管力經(jīng)節(jié)點板互相平衡后再傳到主管上。且該措施在主管壁厚與直徑之比太小需要增加剛度時更有效，實際應用較多；(5)在主管內側加內隔板26-27 (見圖 1.4e)：該措施可改善節(jié)點性能，對垂直支管力較好，但施工困難；(6)在相貫核心區(qū)內置加強板28-29 (見圖 1.4f)：該措施處理后節(jié)點外形美觀，但該方法施工困難，實際應用較少，對其受力機理及

30、特點還缺乏研究。國內外對加強節(jié)點的試驗研究相對較少，一般以數(shù)值模擬的方式比較多。國外 ai-kah soh 和 chee-kiong soh 等22對 t 形節(jié)點主管上加焊一層加強板的節(jié)點進行了應力分析；kay-hihoon30等對在多種荷載條件下的雙板加強 t 型節(jié)點進行了試驗研究分析；y s choo31-32等對在多種彎矩作用下的雙板加強型的 x 型節(jié)點進行了靜力分析。marcus 等33建立了 22 個 dt 型加強型節(jié)點的數(shù)據(jù)庫，并首次總結了在軸向荷載下的此類節(jié)點的有限元分析結果，同時對節(jié)點的破壞機理做了理論分析。國內，王秀麗等24對內設加強環(huán)的圓管節(jié)點的承載力性能進行了分析，指出可

31、在較大直徑的鋼管內部設置加強環(huán)的構造形式并做了相應的計算研究；張巧珍等27對插板加強型和普通 k 形圓鋼管相貫節(jié)點的承載力性能進行了分析計算，得出插板能顯著提高 k形節(jié)點的承載力。馮琦等25對鞍型板加強的 y 型管節(jié)點在軸向拉力的作用下的極限承載力進行了分析，表明鞍型板的尺寸對加強后的節(jié)點強度有很大的影響。王閣等28以廣東管壁加厚加套管(a) 主管壁加厚(b) 主管上加套管加墊板設節(jié)點板(c) 主管上加墊板(d) 節(jié)點板加強環(huán)內置加強板(e) 主管內側加內隔板(f) 核心區(qū)內置加強板圖 1-4 相貫節(jié)點加強措施fig 1.4 strengthening measures of the inte

32、rsection node 科學中心工程為背景，對內置加勁板加強型空間圓管節(jié)點進行了試驗和有限元模擬分析，表明設置內置加勁板可以有效改善節(jié)點受力性能，提高節(jié)點承載力。1.1.4 鋼管節(jié)點研究方法鋼管節(jié)點研究方法現(xiàn)在進行鋼管節(jié)點研究方法主要有理論分析、試驗分析及有限元軟件模擬分析。其中，理論分析和試驗分析是最基本的研究方法。通過試驗研究以了解節(jié)點的應力、應變狀態(tài)以及塑性區(qū)的發(fā)展情況，進而通過回歸分析得到節(jié)點極限承載力的經(jīng)驗公式；隨著計算機運算速度的加快，利用有限元程序進行非線性分析的方式越來越受人們的青睞，像 abaqus、ansys、sap、marc 等軟件成為管節(jié)點有限元分析的常用工具。自從

33、 1948 年前西德第一次進行了鋼管節(jié)點極限強度試驗34以來，國外進行了一系列的研究，1981 年 yura 等35人對 1979 年前的試驗數(shù)據(jù)作了比較分析，指出并克服了之前分析中存在的問題，綜述了軸向加載以及彎矩加載的的 t、y、tt 和 k 型等類型節(jié)點的受力性能，并根據(jù)經(jīng)篩選的 137 個試驗結果，用經(jīng)驗法建立了改進的管節(jié)點極限承載力方程。1982 年日本學者 kurobane 等36人根據(jù) 747 個 x、y、t、k 型節(jié)點的試驗數(shù)據(jù)，結合簡單的力學模型，運用多元回歸技術得出了節(jié)點屈服和極限強度公式，并指出在確定相應設計條件下的抵抗因子時必須考慮標準的容差控制、材料的選用和結構尺寸。

34、1984 年，kurobane37采用回歸方法，整理了 73 個 x 型節(jié)點、50 個 t 型節(jié)點、398 個 k型節(jié)點試驗結果，提出了能夠弦桿直徑 60510mm，鋼材屈服點 270500mpa 的圓鋼管平面節(jié)點強度計算公式，為日本建筑學會、歐洲管節(jié)點委員會制定設計指南提供了依據(jù)。自 1984 年起，各國開始對空間管節(jié)點的承載性能進行了研究，但研究課題的范圍仍有相當?shù)木窒扌浴?996 年，makino 等38建立了完備、可供研究者自由下載的圓鋼管相貫節(jié)點試驗及有限元分析的數(shù)據(jù)庫。國內從 20 世紀 80 年代以來也對鋼管節(jié)點進行了一些的研究。19821983 年間，大連工學院39分析了 30

35、9 個節(jié)點的試驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)日本規(guī)范40與試驗結果符合較好且適用范圍廣，故在日本規(guī)范的基礎上，綜合美國石油學會（api）41、歐洲鋼結構學會( euk)及大連工學院、同濟大學兩套計算結果，并結合國內材質焊接工藝、制造水平，形成了我國規(guī)范，且該規(guī)范的安全度與以前規(guī)范相當。2003 年，陳以一等42針對圓鋼管空間相貫節(jié)點進行了三種類型大尺寸足尺模型的試驗，提供了主要實驗結果，提出了確定試件極限承載力的方法，并根據(jù)實驗結果對空間相貫節(jié)點強度計算公式作了初步探討，最終形成了 03 版的鋼結構規(guī)范。1.21.2 斜交節(jié)點的研究應用現(xiàn)狀斜交節(jié)點的研究應用現(xiàn)狀斜交網(wǎng)格結構首先應用于在 2003 年建成于英國倫

36、敦的瑞士再保險總部大廈（swiss re tower）43。隨后國外的美國的赫斯特大樓（hearst tower）44、卡塔爾外交部辦公大樓45、阿布扎比的“首都門大廈”（capital gate）46；國內的廣州新電視塔47-49、廣州西塔50-51及河南廣播電視發(fā)射塔52都采用了此種結構形式。1.2.1 國外研究應用現(xiàn)狀國外研究應用現(xiàn)狀英國的瑞士再保險大廈（swiss re tower）和美國的赫斯特大樓（hearst tower）都是來源于諾曼福斯特（norman foster） / ken shuttleworth 的設計。兩個項目主體結構均為斜交網(wǎng)格鋼結構，其中瑞士再保險大廈是斜交網(wǎng)

37、格結構第一次應用。兩個項目的節(jié)點采用鋼板拼接而成44，不是直接通過管相貫連接,如圖 1.5 所示。由于這種節(jié)點受力可靠，制作簡單，施工方便，節(jié)省投資，受到建設方及施工方的歡迎。（a）節(jié)點（b）鋼板櫈圖圖 1.5 swiss re tower 節(jié)點圖圖 1.6 卡塔爾外交部辦公大樓節(jié)點fig 1.5 the joints of swiss re towerfig 1.6 the joints of ministry of foreign affairs office qatar卡塔爾外交部辦公大樓位于卡塔爾首都多哈，地下 4 層，地面以上 44 層鋼筋混凝土主體結構，總高 231m，建筑總面積

38、100000m2。該工程主抗側力結構為現(xiàn)澆混凝土交叉柱外網(wǎng)筒構，交叉柱之間的夾角約為 48，節(jié)點區(qū)也為現(xiàn)澆混凝土構成，薄弱環(huán)節(jié)受到的軸壓力相當于單柱的 1.8 倍左右53。中建國際設計顧問有限公司與深圳大學建筑與土木工程學院結構研究中心聯(lián)合團隊54-56采用 ansys 有限元程序，對節(jié)點進行彈性、彈塑性計算分析；中國建筑科學研究院57進行了 3 組 9 個 1/6.8 節(jié)點靜載縮尺模型試驗驗證。結果表明節(jié)點區(qū)受力復雜，交叉斜柱與樓面相交的陰角區(qū)有明顯的應力集中，應采取措施提高節(jié)點核心部位的剛度和承載力。經(jīng)過對比分析，最終選擇在節(jié)點核心區(qū)加鋼板凳(見圖 1.6)加強的方法，改善應力集中現(xiàn)象，明

39、顯提高節(jié)點承載力。1.2.2 國內研究應用現(xiàn)狀國內研究應用現(xiàn)狀廣州西塔建筑立面外觀采用巨型斜交網(wǎng)格的形式，如圖 1.7 所示。主體結構形式采用鋼管混凝土巨型斜交網(wǎng)格外筒和鋼筋混凝土內筒構成的筒中筒結構。為實現(xiàn)設計，華南理工大學方小丹等58-60對多種不同構造形式的鋼管混凝土平面節(jié)點和空間節(jié)點進行了理論分析、有限元分析和試驗分析得出了能滿足節(jié)點設計的節(jié)點構造形式（見圖 1.8） ，提出了相關簡化計算方法，并指出對于該類斜交網(wǎng)格空間相貫節(jié)點,平面外位移對節(jié)點承載力的影響較大,必須嚴格控制其平面外位移的發(fā)展。在實際工程建設中,可采用加強樓面梁或采用預應力索等方式實現(xiàn)平面外位移的控制,保證節(jié)點承載力高

40、于桿件承載力。側視圖正視圖橢圓形拉板加勁環(huán)2-222113 3 20 20 加勁環(huán)橢圓形拉板1-1圖圖 1.7 廣州西塔圖圖 1.8 廣州西塔斜交空間相貫節(jié)點fig 1.7 guangzhou west towerfig 1.8 the joints of guangzhou west tower河南省廣播電視發(fā)射塔，如圖 1.9，塔體總高 388m，由塔身結構、塔樓結構及桅桿結構等組成，采用全鋼結構。外筒由 10 根桉葉糖形鋼管塔柱構成，外塔柱為主要承重構件，塔柱異型鋼管相貫焊節(jié)點區(qū)域受力很大且受力狀態(tài)復雜。設計時在節(jié)點區(qū)域設置隔板和加勁肋來分散和傳遞內力，緩解節(jié)點區(qū)域發(fā)生應力集中而避免節(jié)點

41、板局部屈曲。同濟大學馬人樂等61對該塔某節(jié)進行了相關試驗分析和有限元分析，明確了節(jié)點傳力途徑和各部分的作用，及節(jié)點剛度評價，并表明破壞模式由節(jié)點的形式?jīng)Q定。加強構件正視圖27002700加勁板拼接隔板節(jié)點管斷面圖圖 1.9 河南塔圖圖 1.10 河南塔異形節(jié)點fig 1.9 henan towerfig 1.10 the joints of henan tower目前針對斜交網(wǎng)格結構的性能的研究還相對較少，對斜交網(wǎng)格結構斜交節(jié)點的研究則更少。因為該結構形式建筑外形獨特且結構剛度大質量輕62，越來越受建筑師的親睞。隨著斜交網(wǎng)格結構應用的增多，對該結構體系的各方面的研究會不斷增多。1.31.3 本

42、文主要研究意義和研究內容及方法本文主要研究意義和研究內容及方法1.3.1 本文研究的目的和意義本文研究的目的和意義近年來斜交網(wǎng)格結構在現(xiàn)實結構用有所應用，而對于鋼管斜交網(wǎng)格結構的研究缺少系統(tǒng)性，特別是斜柱相貫節(jié)點處的橫截面面積僅相當于 1 根鋼管柱的截面積且上下柱又非處于同一個平面內且上下匯交角度不同，并且還要滿足節(jié)點承載力高于構件承載力的強節(jié)點設計原則。現(xiàn)行鋼結構設計規(guī)范對在節(jié)點處直接焊接的鋼管桁架結構的平面內 x 相貫節(jié)點給出計算公式20，但不適用于空間斜交網(wǎng)格相貫焊接節(jié)點的承載力計算。故而應對該斜交節(jié)點進行進一步的研究確定節(jié)點構造形式是否安全可靠、經(jīng)濟適用。設置通透區(qū)有效地削弱了風荷載的

43、作用，但也導致通透區(qū)域的外筒斜立柱沿軸線方向較長范圍內無明確的徑向支撐，僅有與之相連的環(huán)梁的環(huán)箍作用提供約束。此部分環(huán)梁與相貫節(jié)點之間的連接形式，及兩者相互間的共同作用問題，是工程設計中需要解決的又一關鍵問題。所以需要進行進一步的研究確定結構的可靠性。本文正是針對現(xiàn)實工程中所遇到的問題，對斜交節(jié)點進行分析，確定節(jié)點構造形式的是否合理、節(jié)點承載力性能是否滿足工程要求、節(jié)點和環(huán)梁連接構造及環(huán)梁對節(jié)點承載力的影響，為斜交網(wǎng)格結構鋼管相貫節(jié)點性能的研究與設計提供參考，促進斜交網(wǎng)格結構及節(jié)點在我國的推廣應用具有重要的實用價值。1.3.2 本文研究內容及方法本文研究內容及方法本文針對實際工程中遇到的問題，

44、以工程為背景。以大型通用軟件 ansys 有限元模擬為主要方式，對斜交節(jié)點承載力性能及環(huán)梁對節(jié)點影響進行主要分析。主要研究內容包括如下：（1）對斜交網(wǎng)格空間相貫焊接節(jié)點進行有限元分析 （a）以標高 14.3m 處的節(jié)點為例，在五種不同荷載工況作用下進行有限元模擬，分析明確節(jié)點在彈性階段和彈塑性階段受力性能； （b）改變節(jié)點管管壁厚對節(jié)點受力性能的影響； （c）分別改變豎向拼接板和橫向拼接板板板厚對節(jié)點承載力的影響；（d）與相同構造下的鑄鋼節(jié)點進行比較，明確各節(jié)點優(yōu)勢及實際操作性能 （e）確定斜交網(wǎng)格外筒其他節(jié)點尺寸及承載力性能；（2）環(huán)梁對節(jié)點承載力影響分析 （a）以(1)中的的節(jié)點構造為基礎

45、，探索節(jié)點和環(huán)梁的連接構造，建立有限元模型進行分析，最終得出合理的連接構造形式； （b）以標高 36m 處的節(jié)點為例，對無連接板無環(huán)梁、有連接板無環(huán)梁、有連接板有環(huán)梁三種節(jié)點形式在五種荷載工況下進行彈性階段和彈塑性階段分析，從而明確連接板，環(huán)梁對節(jié)點受力性能的影響； （c）分析明確其他節(jié)點環(huán)梁對節(jié)點承載力影響。（3）節(jié)點極限承載力公式擬合 以現(xiàn)行規(guī)范中平面 x 型相貫節(jié)點承載力計算公式為基礎分析擬合節(jié)點在兩側節(jié)點管同時受壓和一拉一壓兩種荷載工況作用下的節(jié)點極限承載力。改變如下參數(shù)： （1）節(jié)點管徑厚比 （2）節(jié)點豎向拼接板板厚 t2與節(jié)點管壁厚 t1比 1 （3）節(jié)點橫向拼接板板厚 t2與節(jié)點

46、管壁厚 t1比 2（4）平面夾角上部交角 1 （5）平面夾角上下角度比 3 （6）空間夾角 （7）材料強度（4）對該項目節(jié)點設計及節(jié)點與環(huán)梁連接形式提出建議并完成學位論文。1.41.4 研究思路及步驟研究思路及步驟本文主要研究思路及研究流程如下：提出合理構造形勢節(jié)點和環(huán)梁連接構造設計提出合理的節(jié)點構造形式建立分析受力模型改變各種參數(shù)分析分析計算數(shù)據(jù)擬合節(jié)點承載力設計公式建立分析受力模型收集分析資料總結，完成學位論文對比分析計算數(shù)據(jù)第二章 理論基礎與有限元建模2.12.1 引言引言本章提出了利用 ansys 軟件進行斜交網(wǎng)格空間相貫焊接節(jié)點極限承載力分析時理論基礎。一般實際工程中鋼管相貫節(jié)點的最

47、大變形值與鋼管壁厚相近，屬于大撓度問題；同時，當節(jié)點達到其極限狀態(tài)時，節(jié)點區(qū)域鋼材有較大區(qū)域進入屈服，即此時材料應力應變關系的本構方程不再為線性。因此，在分析相貫節(jié)點的極限承載力時要同時考慮幾何非線性和材料非線性的影響。相貫節(jié)點的極限承載力分析既要考慮材料塑性引起的非線性又要考慮大變形引起的幾何非線性。為簡化分析過程，基本假設如下：（1）進行極限承載力分析時材料為理想的彈塑性材料，服從 v-mises 屈服準則；（2）服從大撓度小應變假定；（3）不計殘余應力及鋼管的初始缺陷；（4）不考慮焊縫的影響。由于實際材料的應變硬化將引起極限承載力的提高，而殘余應力及鋼管的初始缺陷將導致承載力的降低，采取

48、這樣的基本假設時前述兩者可部分相互抵消，既保證精度又簡化計算。2.22.2 材料非線性材料非線性2.2.1 彈性理論彈性理論彈性理論研究的是彈性體由于受外力作用或溫度改變以及支座沉陷等原因而發(fā)生的應力、變形和位移，主要用于分析各種結構或構件在彈性階段時的應力和位移。對于在完全彈性的各向同性體內，在每一給定溫度下，應力應變間存在著唯一、單值對應關系，且與時間無關。通常這一關系是線性的，符合廣義虎克定律，其表達式見式（2.1）63 （2-1）gegegezxzxyxzzyzyzxzyyxyxyzyxx,1,1,1式中：i為 i 方向節(jié)點正應力；i為 i 方向節(jié)點正應變；ij為 ij 平面切應力；i

49、j為與ij對應的切應變； 為材料的泊松比；e 為材料彈性模量；g 為材料的剪切摸量。上式表明，材料在三個方向的正應力和正應變是相互牽連且線性相關的，剪應力與剪應變雖也線性相關，卻互不牽連。常數(shù) e、g、 之間存在下列關系： (2-2)1 (2eg這些彈性常數(shù)不隨應力或變形的大小而改變，不隨位置坐標而變，也不隨方向而變。并且當外力消失后，應變、應力自行消失，材料恢復至原來的形狀。物體內部的應力應變只與最終的外載有關，與加載歷史無關。2.2.2 金屬的塑性理論金屬的塑性理論金屬的彈性后效應64可以忽略，非彈性應變可作為永久應變，這種永久變形即成為塑性變形 p。當塑性應變顯而易見時的極限狀態(tài)稱之為屈

50、服點。對于大多數(shù)金屬，屈服點不很明顯，通常取殘余變形定義法，即把對應于殘余應變 0.2%的應力作為屈服應力，或者用切線法來定義。2.2.2.12.2.2.1 應力應力- -應變關系的理想化模型應變關系的理想化模型e 0 f 0 0eye（a）線彈性（b）非線性彈性（c）線彈性-理想塑性 0y 0yedd 0y（d）剛性-理想塑性（e）線彈性-線性加工強化（f）剛性-線性加工強化圖圖 2.1 理想彈塑性應力-應變曲線fig 2.1 ideal elastic-plastic stress - strain curve圖 2.1 描述了六種理想化64的 - 曲線，分別是：（a）線彈性；（b）非線性

51、彈性；（c）線彈性-理想塑性；（d）剛性-理想塑性；（e）線彈性-線性加工強化；（f）剛性-線性加工強化。這些理想化的理論模型，在特定條件下，可分別對某些金屬特性作出最佳描述。下面簡要描述以上各種模型，并介紹能使用這些模型的實例。（1）線彈性（圖 2.1a）這是所有理想化模型中最簡單的一種。假定材料性能符合胡克定律的線彈性，對于工作應力低于屈服應力的大多數(shù)設計問題，廣泛采用此模型，而涉及應力集中和確定極限強度等問題時，此模型不適用。（2）非線性彈性（圖 2.1b）對于橡膠類材料，其性質為非線性彈性，此模型較為適用。（3）線彈性-理想塑性（圖 2.1c）該模型可以反映出金屬的三個重要特性：第一，

52、在較低的應力水平下，彈性響應明顯；第二，當應力增加到接近極限狀態(tài)時，實際應力-應變關系曲線明顯彎曲，導致在此階段的切線模量只是最初彈性模量的幾分之一，理想的彈塑性模型是假定用模量為零來簡單描述；第三，當完全卸載時，塑性狀態(tài)不可恢復，殘余變形仍舊保持對應力、應變歷史和極限強度估計都重要的問題，該模型提供了一個簡單模型，以描述如低碳結構鋼等大量鋼材的真實特性。（4）剛性-理想塑性（圖 2.1d）這是對線彈性-理想塑性模型的進一步簡化，適用于僅考慮最大承載能力的問題，如結構的極限分析、機械鍛造、金屬成型等領域。（5）線彈性-線性加工強化（圖 2.1e）這種模型考慮了應力-應變曲線中的加工強化部分及應

53、力歷史和它的極限值，通常適用于預測鋁合金的性能。（6）剛性-線性加工強化（圖 2.1f）對應于應力歷史不是很重要的問題，這種模型用起來方便。2.2.2.22.2.2.2 屈服準則屈服準則（1）tresca 準則tresca 準則也稱為最大剪應力準則，它認為：當最大剪應力達到臨界水平時，材料達到屈服。一般式64為： （2-3）0444221322322221kkk式中：1、2、3為主應力，k 為純剪狀態(tài)下材料的屈服應力。即：k2131圖 2.2（a）為主應力空間上的 tresca 準則，式（2-3）表示一個棱柱體，它的母線平行于靜水壓力軸（），其橫截面為正六邊形。321（2）von mises

54、準則von mises 準則也稱為最大剪切能量準則，它認為：當畸變能達到某一臨界值時，材料才開始出現(xiàn)塑性性質。一般式64為： （2-4） 0612222222kzxyzxyxzzyyx式中： 為正應力，為剪應力，k 為純剪狀態(tài)下材料的屈服應力。在主應力空間中，式 2-4 表示了一個與母線與靜水壓力軸平行的圓柱體，它在 平面上的橫截面形狀為一個圓，如圖 2.2（b）所示。von mises 準則考慮了中間主應力對屈服強度的影響，而 tresca 準則則忽略了這個主應力，僅考慮了最大剪應力對其的影響。由于 tresca 準則六邊形邊界處轉角的數(shù)值處理上要求很復雜，故 von mises 準則的數(shù)學

55、表達式在實際應用中要方便。0靜水壓力軸1=2=33210靜水壓力軸1=2=3321（a）tresca 準則（b）von mises 準則圖圖 2.2 屈服準則fig 2.2 yield criterion2.2.2.32.2.2.3 流動法則流動法則在加載過程中會引起塑性應變，為了描述彈塑性變形的應力-應變關系，必須定義出塑性應變增量矢量的方向和大小，而流動法就是用于確定這些參數(shù)的法則。流動法則pijd的數(shù)學定義式為： （2-5）ijgdpijd式中：是一個貫穿于整個塑性加載歷史的非負標量函數(shù)，它決定了的長度或大?。籨pijdg 為塑性勢能函數(shù)；為應力張量；梯度矢量規(guī)定了的方向，也就是勢能面

56、g=0ijijgpijd在當前應力點的法線方向。vonmises 函數(shù)在應力空間中表示圓柱體，塑性勢能函數(shù)表示為： （2-6） 0g2ijkj式中：，為偏應力張量， 22222226121zxyzxyxzzyyxijijssjijs為正應力，為剪應力；k 為常數(shù)。由 2-5、2-6 式可得： （2-7）dijpijsd2.2.2.32.2.2.3 強化法則強化法則一般地，有三種強化法則64在金屬中得到普遍應用，即：各向同性強化、隨動強化、混合強化法。當前屈服面初始屈服面012210初始屈服面當前屈服面210初始屈服面當前屈服面（a）等向強化（b）隨動強化（c）混合強化圖圖 2.3 強化法則fi

57、g 2.3 strengthen the rule（1）各向同性強化法則該法則假定初始屈服面均勻膨脹或收縮，沒有發(fā)生塑性流動而發(fā)生畸變和移動，如圖 2.3（a）所示。屈服面的數(shù)學表達式64如式 2-8 所示： （2-8） 0,0kffijij式中：是一個強化函數(shù)或增函數(shù)，用來確定屈服面的大小，是一個強化參數(shù)， k它的值表示了材料的塑性加載歷史。（2）隨動強化法則隨動強化法則假定：在整個塑性變形過程中，加載面在應力空間作為剛性平移而沒有轉動，即尺寸和形狀均保持與初始屈服面相同，如圖 2.3（b）所示。屈服面的數(shù)學表達式64如式 2-9 所示： （2-9）0,0kffijijijij式中：k 是一

58、個常數(shù)，被稱為反應力，他給出加載面中心的坐標。ij該法則為解釋 bauschinger 效應提供了一種工具，把這種效應歸于一種由塑性變形引起的定向的各向異性的特殊模型，即一個方向的初始塑性變形使相反方向抵抗后繼塑性變形的能力減小。因此，與隨動強化法則相結合的塑性模型，特別適合于具有明顯bauschinger 效應的金屬以及循環(huán)荷載和反向荷載作用下的金屬。（3）混合強化法則混合強化法則指各向同性強化和隨動強化兩種法則的組合形成的更一般的強化法則，如圖 2.3（c）所示。屈服面的數(shù)學表達式55如式 2-10 所示： （2-10） 0,0kffijijijij對于該法則，加載面在所有方向都發(fā)生平動和

59、膨脹或收縮，可以通過調整和 k兩個參數(shù)來模擬不同程度上的 bauschinger 效應。ij2.32.3 有限元模型的建立有限元模型的建立本文采用大型有限元分析軟件 ansys 進行有限元分析。ansys 是由美國著名理學專家、美國 jone swanson 博士團隊于二十世紀 70 年代開發(fā)的，是集結構、熱、流體、電磁場、聲場和耦合場等眾多分析功能于一體的大型通用有限元分析軟件，涵蓋了機械、航空航天、能源、交通運輸、土木建筑、水利、電子、生物、醫(yī)學和教學科研等眾多領域65。/21節(jié)點管豎向連接板橫向連接板(a)節(jié)點連接示意圖(c)側視圖(b)正視圖(d)剖面圖22鋼管與連接板相貫線橫向連接板

60、豎向連接板/2鋼管與連接板相貫線豎向連接板橫向連接板2-21-1112l1l2圖圖 2.4 節(jié)點構造示意圖fig 2.4 joints structure 本文研究的對象是某觀光塔斜交網(wǎng)格結構外筒空間相貫焊接節(jié)點，該節(jié)點由鋼管及鋼板切割焊接而成，如圖 2.4。節(jié)點可在工廠加工，加工時先將橫向拼接板與豎向拼接板連接一側切割一角度再焊接到豎向拼接板上，使豎向和橫向拼接板即為同側節(jié)點管軸線交角平分面；在將各個節(jié)點管沿各節(jié)點管軸線間夾角的角平分線進行切割后焊接到豎向和橫向拼接板上形成一個整體。節(jié)點有限元建模時采用實體建模的形式進行分析研究，2.4.1 計算簡圖及在有限元模型中的實現(xiàn)計算簡圖及在有限元模