李思遙——套筒式節(jié)點拉壓性能理論及試驗研究

1、套筒式節(jié)點拉壓性能理論及試驗研套筒式節(jié)點拉壓性能理論及試驗研究究匯報人：李思遙導(dǎo) 師：薛素鐸第十五屆空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會議第十五屆空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會議北京工業(yè)大學(xué)空間結(jié)構(gòu)研究中心北京工業(yè)大學(xué)空間結(jié)構(gòu)研究中心 2012014 4- -1010- -3030匯匯 報報 提提 綱綱 套筒式節(jié)點簡介套筒式節(jié)點簡介1節(jié)點拉壓性能理論研究節(jié)點拉壓性能理論研究2節(jié)點拉壓性能試驗研究節(jié)點拉壓性能試驗研究3結(jié)論結(jié)論41研究背景網(wǎng)格結(jié)構(gòu)新應(yīng)用倫敦奧運會游泳館倫敦奧運會游泳館研究背景研究背景1研究背景網(wǎng)格結(jié)構(gòu)新應(yīng)用倫敦奧運會游泳館倫敦奧運會游泳館 倫敦奧運會籃球館是奧運會倫敦奧運會籃球館是奧運會史上最大的臨時性建筑。史上最大

2、的臨時性建筑。場館中場館中的看臺設(shè)計獨立的單元的看臺設(shè)計獨立的單元可拆可拆卸的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)單元卸的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)單元，球館的維護，球館的維護結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)采用PVC骨架膜。骨架膜。 籃球館的設(shè)計實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的籃球館的設(shè)計實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的可拆卸、可重復(fù)利用，重新定義可拆卸、可重復(fù)利用，重新定義了臨時結(jié)構(gòu)的概念，合理地解決了臨時結(jié)構(gòu)的概念，合理地解決了設(shè)計年限和荷載取值問題。了設(shè)計年限和荷載取值問題。研究背景研究背景1研究背景研究背景倫敦奧運場館建設(shè)的啟示倫敦奧運場館建設(shè)的啟示 重新思考網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍重新思考網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍 改變觀念由建筑結(jié)構(gòu)改變觀念由建筑結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)如何轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品？結(jié)構(gòu)如何轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品？ 標準

3、化、工廠化和裝配化標準化、工廠化和裝配化建筑產(chǎn)品建筑產(chǎn)品1節(jié)點構(gòu)造節(jié)點主要連接形式：螺紋聯(lián)接節(jié)點主要連接形式：螺紋聯(lián)接套筒式節(jié)點簡介套筒式節(jié)點簡介5-1 螺紋大徑大徑d 是螺紋的公稱直徑。是螺紋的公稱直徑。小徑小徑d1常用于強度計算。常用于強度計算。中徑中徑d2常用于幾何計算。常用于幾何計算。螺距螺距P 中徑線上，相鄰兩螺紋中徑線上，相鄰兩螺紋牙上對應(yīng)點間的軸向距離。牙上對應(yīng)點間的軸向距離。牙型角牙型角a在軸向截面內(nèi)，在軸向截面內(nèi)，螺紋牙型兩側(cè)邊的夾角。螺紋牙型兩側(cè)邊的夾角。螺紋螺紋螺紋的主要參數(shù)螺紋的主要參數(shù)牙型高度牙型高度h h牙頂和牙底牙頂和牙底間垂直于軸線的距離間垂直于軸線的距離 22

4、tandnPdS螺紋旋向分左旋和右旋，常用右旋螺紋螺紋旋向分左旋和右旋，常用右旋螺紋螺紋升角螺紋升角螺旋線的切線與螺旋線的切線與垂直于螺紋軸線的平面間的垂直于螺紋軸線的平面間的夾角。夾角。嚙合（旋合）扣數(shù)嚙合（旋合）扣數(shù)n 內(nèi)外螺紋內(nèi)外螺紋咬合的圈數(shù)。咬合的圈數(shù)。螺紋參數(shù)簡介套筒式節(jié)點簡介套筒式節(jié)點簡介1連接步驟1步驟步驟1 1：接頭：接頭-1 -1與焊接球焊接與焊接球焊接套筒式節(jié)點簡介套筒式節(jié)點簡介連接步驟1步驟步驟2 2：接頭：接頭-2 -2焊接于桿件端部焊接于桿件端部套筒式節(jié)點簡介套筒式節(jié)點簡介連接步驟1步驟步驟3 3：套筒與接頭：套筒與接頭-1 -1連接連接套筒式節(jié)點簡介套筒式節(jié)點簡介

5、連接步驟1套筒式節(jié)點簡介套筒式節(jié)點簡介步驟步驟4 4：反向旋轉(zhuǎn)套筒，連接接頭：反向旋轉(zhuǎn)套筒，連接接頭-1 -1與與-2 -2。2數(shù)值模擬研究對象：螺紋部分研究對象：螺紋部分軟件：軟件：ANSYSANSYS單元：單元：SOLID185SOLID185，TARGETARGE170170，CONTA174CONTA174研究參數(shù)：接頭壁厚、套筒研究參數(shù)：接頭壁厚、套筒壁厚、螺距、螺紋嚙合扣數(shù)壁厚、螺距、螺紋嚙合扣數(shù)節(jié)點拉壓性能理論研究節(jié)點拉壓性能理論研究2數(shù)值模擬接頭壁厚增接頭壁厚增大，節(jié)點承大，節(jié)點承載力增大。載力增大。接頭壁厚對節(jié)點承載力的影響接頭壁厚對節(jié)點承載力的影響 軸拉軸拉10015020

6、025030033.544.555.566.5壁厚 (mm)承載力(MPa)螺距1.5mm螺距2mm螺距2.5mm螺距3mm節(jié)點拉壓性能理論研究節(jié)點拉壓性能理論研究2數(shù)值模擬套筒壁厚增套筒壁厚增大，節(jié)點承大，節(jié)點承載力降低，載力降低，幅度幅度2%2%。套筒壁厚對節(jié)點承載力的影響套筒壁厚對節(jié)點承載力的影響 軸拉軸拉2002102202302402502602702800.110.120.130.140.150.160.170.18位移 (mm)面荷載 (MPa)套筒壁厚4mm套筒壁厚4.5mm套筒壁厚5mm套筒壁厚5.5mm套筒壁厚6mm套筒壁厚6.5mm承載力節(jié)點拉壓性能理論研究節(jié)點拉壓性能理

7、論研究2數(shù)值模擬螺距對節(jié)點承載力的影響螺距對節(jié)點承載力的影響 軸拉軸拉螺距增大，螺距增大，節(jié)點承載力節(jié)點承載力先增大后減先增大后減小。小。10015020025030035011.522.533.544.5螺距 (mm)承載力 (MPa)10扣15扣20扣節(jié)點拉壓性能理論研究節(jié)點拉壓性能理論研究2數(shù)值模擬嚙合扣數(shù)對節(jié)點承載力的影響嚙合扣數(shù)對節(jié)點承載力的影響 軸拉軸拉100120140160180200220240260280101214161820扣數(shù)承載力 (MPa)壁厚4mm，螺距1.5mm壁厚4mm，螺距2mm螺紋嚙合扣數(shù)螺紋嚙合扣數(shù)增大，節(jié)點承增大，節(jié)點承載力先增大后載力先增大后穩(wěn)定。

8、穩(wěn)定。節(jié)點拉壓性能理論研究節(jié)點拉壓性能理論研究2數(shù)值模擬 軸壓軸壓桿件壁厚對節(jié)點承載力的影響桿件壁厚對節(jié)點承載力的影響19021023025027029031033.544.555.56壁厚(mm)承載力(MPa)螺距1.5mm螺距2mm螺距2.5mm螺距3mm接頭壁厚增接頭壁厚增大，節(jié)點承大，節(jié)點承載力增大。載力增大。節(jié)點拉壓性能理論研究節(jié)點拉壓性能理論研究2數(shù)值模擬 軸壓軸壓套筒壁厚對節(jié)點承載力的影響套筒壁厚對節(jié)點承載力的影響2102202302402502602702800.080.090.10.11位移 (mm)面荷載 (PMa)套筒壁厚3.5mm套筒壁厚4mm套筒壁厚4.5mm套筒壁

9、厚5mm套筒壁厚5.5mm套筒壁厚6mm承載力套筒壁厚增套筒壁厚增大，節(jié)點承大，節(jié)點承載力降低，載力降低，幅度幅度2%2%。節(jié)點拉壓性能理論研究節(jié)點拉壓性能理論研究2數(shù)值模擬 軸壓軸壓螺距對節(jié)點承載力的影響螺距對節(jié)點承載力的影響螺距增大，螺距增大，節(jié)點承載力節(jié)點承載力先增大后減先增大后減小。小。22024026028030032011.522.533.544.5螺距 (mm)承載力 (MPa)扣數(shù)5扣數(shù)10節(jié)點拉壓性能理論研究節(jié)點拉壓性能理論研究2數(shù)值模擬 軸壓軸壓嚙合扣數(shù)對節(jié)點承載力的影響嚙合扣數(shù)對節(jié)點承載力的影響2302502702903105678910扣數(shù)承載力 (MPa)壁厚4mm，

10、螺距1.5mm壁厚4mm，螺距2mm壁厚5mm，螺距1.5mm壁厚5mm，螺距2mm螺紋嚙合扣數(shù)螺紋嚙合扣數(shù)增大，節(jié)點承增大，節(jié)點承載力先增大后載力先增大后穩(wěn)定。穩(wěn)定。節(jié)點拉壓性能理論研究節(jié)點拉壓性能理論研究2數(shù)值模擬 數(shù)值模擬結(jié)論：數(shù)值模擬結(jié)論： 節(jié)點節(jié)點拉壓拉壓承載力隨承載力隨接頭接頭壁厚的增加而增大壁厚的增加而增大；隨螺距的；隨螺距的增加先增大后減小；隨螺紋嚙合扣數(shù)的增加先增大后增加先增大后減小；隨螺紋嚙合扣數(shù)的增加先增大后趨于穩(wěn)定。趨于穩(wěn)定。 套筒壁厚對節(jié)點拉壓承載力影響較小，可忽略，在設(shè)套筒壁厚對節(jié)點拉壓承載力影響較小，可忽略，在設(shè)計時取值與接頭相等。計時取值與接頭相等。 當(dāng)套筒壁厚

11、與桿件壁厚相等，螺距為桿件壁厚當(dāng)套筒壁厚與桿件壁厚相等，螺距為桿件壁厚1/21/2，桿，桿件與套筒嚙合扣數(shù)為件與套筒嚙合扣數(shù)為1515時時, ,套筒絲扣節(jié)點承載力較高。套筒絲扣節(jié)點承載力較高。 節(jié)點拉壓性能理論研究節(jié)點拉壓性能理論研究理論公式2 在實際工作狀態(tài)下，套筒式節(jié)點可能出現(xiàn)的破壞形態(tài)有在實際工作狀態(tài)下，套筒式節(jié)點可能出現(xiàn)的破壞形態(tài)有四種：（四種：（1）螺紋外露段破壞；（）螺紋外露段破壞；（2）螺紋牙剪切破壞；（）螺紋牙剪切破壞；（3）螺紋牙彎曲破壞；（螺紋牙彎曲破壞；（4）套筒破壞。）套筒破壞。螺紋外露段螺紋外露段節(jié)點拉壓性能理論研究節(jié)點拉壓性能理論研究理論公式2螺紋外露段破壞螺紋外露

12、段破壞2215 3()() 16FRPRt 節(jié)點承載力為：其中： 為材料的許用正應(yīng)力。螺紋外露段截面應(yīng)力為：1/FA1A為螺紋外露段最小截面面積，2215 3()()16ARPRt 節(jié)點拉壓性能理論研究節(jié)點拉壓性能理論研究理論公式2螺紋牙剪切破壞螺紋牙剪切破壞 忽略螺紋小螺旋升角的影響，將一圈螺紋沿螺紋大徑展開，螺紋牙可看做寬度為的 d懸臂梁。 假設(shè)每圈螺紋牙所承受的平均軸力為 ，n為旋合扣數(shù)，并作用在以螺紋中徑為直徑的圓周上，則螺紋牙危險截面A-A上的剪應(yīng)力為：/F nFdbn節(jié)點拉壓性能理論研究節(jié)點拉壓性能理論研究2節(jié)點承載力為：2 0.87 FdbnRPn螺紋牙剪切破壞螺紋牙剪切破壞 0

13、.6s為材料的許用剪切應(yīng)力，取 理論公式節(jié)點拉壓性能理論研究節(jié)點拉壓性能理論研究2節(jié)點承載力為：螺紋牙彎曲破壞螺紋牙彎曲破壞 螺紋牙危險截面的彎曲應(yīng)力為：212ddll為彎曲力臂， 30.5824bFRPnb為材料的許用彎曲應(yīng)力 理論公式26bFldb n節(jié)點拉壓性能理論研究節(jié)點拉壓性能理論研究2螺紋牙彎曲破壞螺紋牙彎曲破壞 30.5824bFRPn理論公式2 0.87 FdbnRPn 0.6sbs23FF 易知 ，所以螺紋牙將先發(fā)生剪切破壞而螺紋牙將先發(fā)生剪切破壞而不發(fā)生彎曲破壞。不發(fā)生彎曲破壞。節(jié)點拉壓性能理論研究節(jié)點拉壓性能理論研究2節(jié)點承載力為：套筒破壞套筒破壞 套筒可能發(fā)生的破壞形式

14、為套筒在接頭-1與接頭-2交界處破壞（套筒中部）。2/FA2220005 3()16ARRtP2240005 3() 16FRRtP理論公式 該區(qū)域套筒僅承受拉壓荷載，其應(yīng)力為：節(jié)點拉壓性能理論研究節(jié)點拉壓性能理論研究2套筒破壞套筒破壞 理論公式2A1A令21AAA22220351()()2 ()2128AtPtPtR tttP0tt0A 由于，且因螺紋加工工藝需要，套筒壁厚不會小于接頭壁厚，即：，則節(jié)點螺紋外露段必先于套筒發(fā)生破壞。節(jié)點螺紋外露段必先于套筒發(fā)生破壞。 套筒式節(jié)點可能出現(xiàn)的破壞形態(tài)僅：（套筒式節(jié)點可能出現(xiàn)的破壞形態(tài)僅：（1）螺紋外露段破）螺紋外露段破壞；（壞；（2）螺紋牙剪切破

15、壞。）螺紋牙剪切破壞。節(jié)點拉壓性能理論研究節(jié)點拉壓性能理論研究2節(jié)點剛度公式節(jié)點剛度公式 理論公式 根據(jù)文獻：螺紋旋合段等效彈性剛度為根據(jù)文獻：螺紋旋合段等效彈性剛度為lAEKsbsl為旋合螺紋段彈性變形等效長度sA為旋合螺紋段有效截面面積對于三角形螺紋dl6 . 0節(jié)點拉壓性能理論研究節(jié)點拉壓性能理論研究2節(jié)點剛度公式節(jié)點剛度公式 理論公式 根據(jù)文獻：螺紋旋合段等效彈性剛度為根據(jù)文獻：螺紋旋合段等效彈性剛度為lAEKss4 , 3 , 2 , 1, ilEAkiii41211isieqkkk節(jié)點拉壓性能理論研究節(jié)點拉壓性能理論研究對比2 理論公式與模擬結(jié)果對比理論公式與模擬結(jié)果對比軸拉軸拉

16、不同接頭壁厚時節(jié)點受拉計算結(jié)果對比不同接頭壁厚時節(jié)點受拉計算結(jié)果對比承載力位移壁厚(mm)公式(kN)模擬(kN)相對誤差(%)公式(mm)模擬(mm)相對誤差(%)P=2mm3.5145.2138.64.8 0.1497 0.14533.0 4173.7181.94.5 0.1480 0.13737.8 4.5201.6198.31.7 0.1513 0.13829.5 5229211.78.2 0.1447 0.13626.2 5.5255.8239.46.9 0.1495 0.13917.5 6282.1269.64.6 0.1476 0.13836.7 節(jié)點拉壓性能理論研究節(jié)點拉壓性能

17、理論研究對比2 理論公式與模擬結(jié)果對比理論公式與模擬結(jié)果對比軸拉軸拉 不同螺距時節(jié)點受拉計算結(jié)果對比不同螺距時節(jié)點受拉計算結(jié)果對比承載力位移螺距(mm)公式(kN)模擬(kN)相對誤差(%)公式(mm)模擬(mm)相對誤差(%)n=151.5254.6251.0 1.4 0.1208 0.1132 6.7 2272.1266.0 2.3 0.1476 0.1383 6.7 2.5265.2261.0 1.6 0.1641 0.1585 3.6 3248.5256.0 2.9 0.1755 0.1782 1.5 3.5231.9245.0 5.3 0.1870 0.2014 7.1 4225.5

18、237.0 4.9 0.2081 0.2252 7.6 節(jié)點拉壓性能理論研究節(jié)點拉壓性能理論研究對比2 理論公式與模擬結(jié)果對比理論公式與模擬結(jié)果對比軸拉軸拉 不同旋合扣數(shù)時節(jié)點受拉承載力值對比計算結(jié)果對比不同旋合扣數(shù)時節(jié)點受拉承載力值對比計算結(jié)果對比承載力位移扣數(shù)公式(kN)模擬(kN)相對誤差(%)公式(mm)模擬(mm)相對誤差(%)P=1.5mm, t=4mm10190.7175.9 8.4 0.1273 0.1135 12.2 11190.7175.9 8.4 0.1298 0.1155 12.4 12190.7175.9 8.4 0.1323 0.1162 13.9 13190.71

19、75.9 8.4 0.1348 0.1189 13.4 14190.7175.9 8.4 0.1374 0.1228 11.9 15190.7175.9 8.4 0.1399 0.1286 8.8 16190.7175.9 8.4 0.1424 0.1298 9.7 17190.7175.9 8.4 0.1449 0.1359 6.6 18190.7175.9 8.4 0.1474 0.1375 7.2 節(jié)點拉壓性能理論研究節(jié)點拉壓性能理論研究對比2 理論公式與模擬結(jié)果對比理論公式與模擬結(jié)果對比軸壓軸壓 不同接頭壁厚時節(jié)點受壓計算結(jié)果對比不同接頭壁厚時節(jié)點受壓計算結(jié)果對比承載力位移壁厚(mm)

20、公式(kN)模擬(kN)相對誤差(%)公式(mm)模擬(mm)相對誤差(%)P=2mm3.5145.2152.2 4.6 0.1330 0.13793.6 4173.7175.9 1.3 0.1338 0.13964.1 4.5201.6204.0 1.2 0.1345 0.13983.8 5229229.8 0.4 0.1352 0.12567.6 5.5255.8268.4 4.7 0.1357 0.13212.8 6272.7305.4 10.7 0.1317 0.13351.4 節(jié)點拉壓性能理論研究節(jié)點拉壓性能理論研究對比2 理論公式與模擬結(jié)果對比理論公式與模擬結(jié)果對比軸壓軸壓 不同螺

21、距時節(jié)點受壓計算結(jié)果對比不同螺距時節(jié)點受壓計算結(jié)果對比承載力位移螺距(mm)公式(kN)模擬(kN)相對誤差(%)公式(mm)模擬(mm)相對誤差(%)n=151.5299.1300.3 0.4 0.1419 0.14814.2 2282.1310.6 9.2 0.1530 0.16527.4 2.5269.2303.7 11.4 0.1666 0.18258.7 3249.5275.1 9.3 0.1762 0.19529.7 3.5241.9264.7 8.6 0.1951 0.21489.2 4218.5240.4 9.1 0.2016 0.22179.1 節(jié)點拉壓性能理論研究節(jié)點拉壓性

22、能理論研究對比2 理論公式與模擬結(jié)果對比理論公式與模擬結(jié)果對比軸壓軸壓 不同旋合扣數(shù)時節(jié)點受壓計算結(jié)果對比不同旋合扣數(shù)時節(jié)點受壓計算結(jié)果對比承載力位移扣數(shù)公式(kN)模擬(kN)相對誤差(%)公式(mm)模擬(mm)相對誤差(%)P=1.5mm, t=4mm5113.2140.7 19.5 0.0681 0.085620.4 6123.9161.9 23.5 0.0762 0.099423.4 7154.5172.4 10.4 0.0970 0.10911.0 8165.1183.0 9.8 0.1059 0.11578.5 9190.7190.0 0.4 0.1248 0.11785.9 1

23、0190.7193.5 1.4 0.1273 0.11877.2 11190.7197.0 3.2 0.1298 0.13010.2 12190.7197.0 3.2 0.1323 0.13210.2 節(jié)點拉壓性能理論研究節(jié)點拉壓性能理論研究對比2 對比分析對比分析結(jié)論結(jié)論： 承載力計算公式：數(shù)值模擬結(jié)果與理論公式計算結(jié)果承載力計算公式：數(shù)值模擬結(jié)果與理論公式計算結(jié)果吻合較好，當(dāng)吻合較好，當(dāng)t/Pt/P接近接近2 2時誤差最小，公式計算結(jié)果略時誤差最小，公式計算結(jié)果略大于數(shù)值模擬結(jié)果。大于數(shù)值模擬結(jié)果。 剛度計算公式：理論公式與數(shù)值模擬吻合較好。剛度計算公式：理論公式與數(shù)值模擬吻合較好。對比節(jié)

24、點拉壓性能理論研究節(jié)點拉壓性能理論研究對比2節(jié)點拉壓性能理論研究節(jié)點拉壓性能理論研究 對比 根據(jù)計算公式和數(shù)值模擬兩種方法對比，可得出節(jié)點拉根據(jù)計算公式和數(shù)值模擬兩種方法對比，可得出節(jié)點拉壓承載力設(shè)計計算的簡化公式。壓承載力設(shè)計計算的簡化公式。 取值條件：t/P2；旋合扣數(shù)n=15；套筒壁厚與接頭壁厚相等。則節(jié)點承載力計算公式為：225 3()() ,=1=1.116FRPRt軸拉時，軸壓時；節(jié)點的破壞形式為螺紋外露段破壞。 3軸拉試驗試件試件 破壞形態(tài)破壞形態(tài) 試件根據(jù)簡化設(shè)計公式設(shè)計。試件根據(jù)簡化設(shè)計公式設(shè)計。節(jié)點拉壓性能試驗研究節(jié)點拉壓性能試驗研究軸壓試驗3試件試件 破壞形態(tài)破壞形態(tài) 節(jié)點拉壓性能試驗研究節(jié)點拉壓性能試驗研究與數(shù)值模擬對比301020304050607000.511.522.53位移（mm