焊接空心球節(jié)點承載力分析論文（word15）

1、焊接空心球節(jié)點承載力分析引言空間網(wǎng)格結(jié)結(jié)構(gòu)是由由桿件通通過節(jié)點點相連接接而成的的結(jié)構(gòu)系系統(tǒng)，節(jié)節(jié)點是結(jié)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)統(tǒng)中重要要的受力力構(gòu)件，離離散的桿桿件通過過節(jié)點集集成為一一個結(jié)構(gòu)構(gòu)系統(tǒng)，所所以在空空間網(wǎng)格格結(jié)構(gòu)系系統(tǒng)中,節(jié)點的的構(gòu)造設(shè)設(shè)計和強強度都是是十分重重要的。在空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中用于構(gòu)件間連接的典型節(jié)點有兩種類型：相貫節(jié)點和節(jié)點體。相貫節(jié)點是指桿件與桿件直接相交，而不是通過節(jié)點；節(jié)點體是指各桿件通過一個節(jié)點相交，該節(jié)點是獨立的構(gòu)件，如圖1所示1。圖1 各種種典型節(jié)節(jié)點現(xiàn)在應(yīng)用于于大跨空空間結(jié)構(gòu)構(gòu)中，適適合中國國國情且且在工程上上應(yīng)用廣廣泛的主要有有兩種節(jié)節(jié)點體形式：螺栓球球節(jié)點和和焊接空空心球

2、節(jié)節(jié)點。前前者是770年代代從德國國MEMMO引進進的，最最早由內(nèi)內(nèi)蒙古鐵鐵路局設(shè)設(shè)計室研研制成功功并應(yīng)用用于內(nèi)蒙蒙古呼和和浩特鐵鐵路局俱俱樂部2，屬屬于“洋洋為中用用”類型型；而后后者焊接接空心球球節(jié)點是是19664-119666年間由由劉錫良良教授成成功研制制開發(fā)，第第一個應(yīng)應(yīng)用工程程為天津津科學館館2，屬于于“土生生土長”類型。本文介紹的的是節(jié)點點體中的的焊接空空心球節(jié)節(jié)點，簡簡要介紹紹了研究究進展和和有限元元分析方方法分析析焊接空空心球節(jié)節(jié)點承載載力的過過程及得得到的相應(yīng)承載載力公式式，最后后指出了了當前研研究中的的不足。優(yōu)缺點及國國內(nèi)外應(yīng)應(yīng)用情況況焊接空心球球節(jié)點是是由兩個個半球焊焊

3、接而成成的空心心球，可可根據(jù)受受力大小小分別采采用不加加肋和加加肋兩種種，如下圖2所示示4。在我國國，焊接接空心球球節(jié)點可可適用于于單層或或多層空空間網(wǎng)格格結(jié)構(gòu)的的節(jié)點體體系，該該體系是是將鋼管管與預制制好的空空心球直直接焊接接而成，適適用于連連接鋼管管桿件。焊焊接空心心球節(jié)點點的優(yōu)點點是構(gòu)造造簡單，受受力明確確，連接接方便，且且其剛度度較螺栓栓球節(jié)點點要大得得多，所以它它也比螺螺栓球節(jié)節(jié)點具有有更廣泛泛的適用用范圍，但但是焊接接空心球球節(jié)點的的現(xiàn)場焊焊接工作作量較大大，同時時，球的的直徑比比管徑要要大得多多，這成成為建筑筑上的一一個缺點點1。出于特殊情情況及質(zhì)質(zhì)量控制制上的考考慮，國國外一般

4、般不采用用現(xiàn)場焊焊接的形形式，故故焊接空空心球節(jié)節(jié)點在國國外的工工程實例例已經(jīng)不不多見，目目前，該該類節(jié)點點主要在在我國廣廣泛使用用，這里里面還包包括著名名的國家家游泳中中心“水水立方”。圖2-1 不加肋肋的空心心球 圖圖2-22 加肋肋的空心心球 一些研究及及成果國內(nèi)對焊接接空心球球節(jié)點有有著廣泛泛的研究究分析，但但尚未達達成統(tǒng)一一的承載載力計算算公式。到到目前為為止，研研究焊接接空心球球節(jié)點的的方法一一般是33種：一一、上個個世紀990年代代以前，當當時由于于工程設(shè)設(shè)計的需需要而且且計算機機分析還還沒有完完善，主主要利用用試驗方方法對焊焊接空心心球節(jié)點點進行承承載力研研究和破破壞機理理分析

5、；二、隨隨著有限限元分析析軟件的的不斷完完善，主主要是通通過有限限元方法法來對焊焊接空心心球節(jié)點點分析；三、從從理論上上對焊接接空心球球節(jié)點分分析。比比較這些些方法，試試驗方法法主要是是通過對對試驗數(shù)數(shù)據(jù)的一一些數(shù)學學處理，提提出經(jīng)驗驗公式，不不足是缺缺少理論論基礎(chǔ)；有限元元方法可可以得到到比較準準確的計計算結(jié)果果，但是是對計算算機的配配置和模模型的建建立要求求高，而而且有限限元軟件件很難模模擬工程程中的實實際情況況；直接接通過理理論進行行分析，從微分分方程中中得出解解析解比比較難5。下面簡簡單地說說明并列列出用了了一些相相關(guān)的公公式：（一）規(guī)范范采用的的計算公公式1991年年，網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)

6、計與與施工規(guī)規(guī)程（JGJJ 791)，當空心心球直徑徑為1220mmm-5000mmm時，公公式如下下6：式中，Nc為受受壓空心心球的軸軸向壓力力設(shè)計值值(N)；D為為空心球球外徑(mm)；t為為空心球球壁厚(mm)；d為為鋼管外外徑(mmm)；c為受壓壓空心球球加勁承承載力提提高系數(shù)數(shù)，無肋肋取1.0，有有肋取11.4； Nl為受受拉空心心球的軸軸向壓力力設(shè)計值值(N)；l為受受拉空心心球加勁勁承載力力提高系系數(shù)，無無肋取11.0，有有肋取11.1；f為鋼材材強度設(shè)設(shè)計值(N2003年年，網(wǎng)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)構(gòu)技術(shù)規(guī)規(guī)程中中對空心心球直徑徑為1220mmm9000mmm時，將將受拉和和受壓時時焊接空空

7、心球節(jié)節(jié)點公式式合二為為一77：式中，D為為空心球球外徑(mm)；t為空空心球壁壁厚(mmm)：d為鋼鋼管外徑徑(mmm)；d為加加勁承載載力提高高系數(shù)，無無肋取11.0，有肋肋取1.4：f為鋼材材強度設(shè)設(shè)計值(N/mmm2)此外，20010年年11月月剛出版版的最新新規(guī)范空空間網(wǎng)格格結(jié)構(gòu)技技術(shù)規(guī)程程的報批正文文稿中，總結(jié)結(jié)了911年和003年的的兩本規(guī)規(guī)范，并并融合進進了設(shè)計計人員的的意見。關(guān)于焊接空心球節(jié)點的受壓和受拉承載力設(shè)計值計算公式如下4：式中，0為大大直徑空空心球節(jié)節(jié)點承載載力調(diào)整整系數(shù)。當當空心球球直徑5000mm 時，取取1.00；當空空心球直直徑5500mmm時，取取0.9對

8、于單層網(wǎng)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)構(gòu)，空心心球承受受壓彎或或拉彎的的承載力力設(shè)計值值Nm可按下下式計算算：m為考慮空心心球受壓壓彎或拉拉彎作用用的影響響系數(shù)，根根據(jù)偏心心系數(shù)c=2MNd ，查詢詢相關(guān)曲（二）早期期基于實實驗結(jié)果果提出的的計算公公式1972年年，上海民民用建筑筑設(shè)計院院和同濟濟大學在在上海文文化廣場場網(wǎng)架屋屋蓋工程程中進行行了233個焊接接空心球球節(jié)點的的試驗研研究，提提出了如如下經(jīng)驗驗公式8：1990年年，雷宏宏剛通過過對球面面應(yīng)力分分布規(guī)律律的研究究給承載載力公式式的建立立提供了了理論依依據(jù)。對對球面應(yīng)應(yīng)力的分分析說明明：實際際節(jié)點，當當桿件相相距不是是很近時時彼此影影響不大大，可以以單向受

9、受力作為為破壞荷荷載的依依據(jù)。節(jié)節(jié)點受拉拉為強度度破壞，影影響承載載力主要要因素為為(球壁壁厚)、dd(管徑徑)及。而而受壓則則屬失穩(wěn)穩(wěn)破壞，除除、d之之外，承承載力理理應(yīng)與DD(球徑徑)有關(guān)關(guān)。但經(jīng)經(jīng)分析：此節(jié)點點在發(fā)生生的破壞壞是局部部而不是是整體失失穩(wěn)。若若這樣，則則D的影影響次要要，只有有當球徑徑很大時時D對承承載力的的影響才才會顯示示出來。利利用2006個試試驗數(shù)據(jù)據(jù)(汾陽陽建筑金金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)公司1187個個，河北北建筑設(shè)設(shè)計院66個，大大連工學學院5個個，西北北建筑設(shè)設(shè)計院55個，太太原工學學院3個個)，通通過對承承載力影影響因素素的分析析，得到到了一致致的結(jié)論論。為此此，利用用數(shù)學

10、上上主因素素法的概概念，經(jīng)經(jīng)回歸分分析，提提出了公公式99：式中，Na為受受壓容許許承載力力(t)；為球壁壁厚(ccm)；d為管管徑(ccm)；Ka為受壓壓安全系系數(shù)，取取2.00；a為加加勁增值值系數(shù)，無無肋取11.0，有有肋取11.5；D為球徑徑修正系系數(shù)a當當1500D4000取1.0，當當4000D5000取0.9。Nl為受拉容許承載力t；Kl（三）有限限元方法法利用有限元元方法進進行承載載力分析析是主要要的研究究方法，故故這類研研究較多多。如20055年，董董石麟院院士等人人采用理理想彈塑塑性應(yīng)力力、應(yīng)變變關(guān)系和和VonnMiisess屈服準準則、同同時考慮慮幾何非非線性的的影響，建

11、建立焊接接空心球球節(jié)點的的有限元元分析模模型，選選用八節(jié)節(jié)點六面面體實體體單元SSOLIID455。單元元網(wǎng)格采采用映射射劃分，球球管連接接的應(yīng)力力集中處處網(wǎng)格加加密對承承受軸力力、彎矩矩及兩者者共同作作用的空空心球節(jié)節(jié)點進行行大量的的非線性性有限元元分析。對對典型節(jié)節(jié)點進行行試驗研研究，以以直觀了了解節(jié)點點的受力力性能和和破壞機機理，并并驗證有有限元模模型的正正確性。最后，綜合簡化理論解、有限元分析和試驗研究的結(jié)果，建立焊接空心球節(jié)點在軸力和彎矩共同作用下的承載力實用計算方法3：（四）理論論分析推推導承載載力計算算公式如20055年，陳陳志華等等通過因因素相關(guān)關(guān)分析得得出受壓壓空心球球節(jié)點承

12、承載力影影響因素素，并通通過回歸歸分析在在考慮安安全度的的基礎(chǔ)上上建立受受壓空心心球的承承載力計計算公式式；對受受拉空心心球節(jié)點點采取沖沖切模式式，利用用沖剪法法和第四四強度理理論并考考慮一定定的安全全度建立立了受拉球球節(jié)點承承載力設(shè)設(shè)計值計計算公式式100：有限元分析析方法的的承載力力分析過過程介紹紹以下為利用用有限元元分析各各種焊接接空心球球節(jié)點在在單向軸軸壓作用用下承載載力的相關(guān)因因素以及及得到相相關(guān)承載載力公式式的過程程。該過程對1145個個節(jié)點進進行有限限元分析析(詳見見表3.1表表3.5)，節(jié)節(jié)點的幾幾何參數(shù)數(shù)變化范范圍為：空心球球直徑3300mmmDD10000mmm（部部分直直

13、直徑超過過了現(xiàn)有有網(wǎng)格規(guī)規(guī)范規(guī)定定的公式式適用范范圍），球球徑與壁壁厚之比比25D/t445，鋼鋼管直徑徑與球徑徑之比00.2d/DD0.66。重點點考察大大直徑且且壁厚較較薄的焊焊接球節(jié)節(jié)點的承承載能力力5。（一）有限限元模型型采用通用有有限元軟軟件ANNSYSS進行分分析。為為簡化計計算引入入對稱邊邊界條件件，取11/4的的球體及及相應(yīng)的的鋼管進進行分析析(見圖圖3.11)。采用八節(jié)點點六面體體實體單單元SOLIID455，單元元網(wǎng)格采采取映射射劃分。根根據(jù)文獻獻3并根據(jù)據(jù)實際驗驗證，發(fā)發(fā)現(xiàn)模型型沿壁厚厚劃分成成4層單單元既能能滿足精精度要求求又能減減少計算算量。故故模型均均采用沿沿壁厚劃

14、劃分4層層網(wǎng)格，具具體見圖圖3-1。分分析時采采用理想想彈塑性性應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)關(guān)系和VVon-Misses屈服服準則，考考慮幾何何非線性性的影響響，通過過弧長法法迭代跟跟蹤節(jié)點點的荷載載位移全全過程響響應(yīng)。分分析中沒沒有考慮慮材料的的硬化對對節(jié)點承承載力的的有利影影響，一一方面各各種鋼材材的硬化化程度不不盡相同同，難以以完全考考慮；另另一方面面將這部部分有利利作用考考慮到結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計計的安全全儲備中中。（二）有限限元計算算結(jié)果及及承載力力影響因因素分析析表3.1表3.5給出出了不同同管徑和和球徑比比d/D時共共1455個節(jié)點點的有限限元計算算結(jié)果。（1）直徑徑D的影影響圖3-2給給出了各各種徑厚厚

15、比下，直徑徑對焊接接球節(jié)點點承載力力的影響響。為便便于分析析，引入入無量綱綱參數(shù)N/tdf，通通過比較較圖3-2中各各種D/t下焊接球球承載力力的變化化情況。發(fā)發(fā)現(xiàn)在相相同的dd/D時，不不同直徑徑對應(yīng)的的無量綱綱參數(shù)基基本在同同一水平平直線上上，說明明球徑的的變化對對節(jié)點承承載能力(2)徑厚厚比Dt的的影響圖3-3給給出了徑徑厚比DD/t變變化時焊焊接空心心球節(jié)點點的承載載力變化化，圖中中X軸為DD/t，YY軸仍為為無量綱綱參數(shù)N/tdf。可以看看出，隨隨著徑厚厚比D/t的增增大(即即壁厚相相對減薄薄)，節(jié)節(jié)點的承承載能力力略有下下降，但但總體影影響不大大，對我我國規(guī)程程給出的的焊接球球徑厚

16、比比的上下下限值(D/t分別為為25和和45)，D/t=455時的承承載力約約為D/t=255時的990。此此外，不不同的dd/D時，承承載力隨隨D/t增大而而略有下下降的趨趨勢十分分接近。但總體上看，徑厚比對節(jié)點承載力的影響較小，但為安全起見，對薄壁焊接球(D下面以D=6000，d/D=0.2和0.6的焊焊接球節(jié)節(jié)點為例例，考察察不同的的徑厚比比D/t時的荷荷載位位移曲線線來分析析徑厚比比對焊接接球承載載性能的的影響。為為統(tǒng)一比比較標準準，有限限元分析析時取其其對稱面面上球體體頂點豎豎向位移移達到88mm時時作為結(jié)結(jié)束計算算的依據(jù)據(jù)。比較較不同DD/t時荷載載位移曲曲線，達達到極限限承載力力

17、后，承載力力的下降降段都較較為平緩緩，且趨趨勢基本本一致。說說明徑厚厚比的變變化對空空心球節(jié)節(jié)點的破破壞模式式影響不不大。(3) 管管徑與球球徑之比比d/DD的影響響管徑與球徑徑之比dd/D是是影響焊焊接球節(jié)節(jié)點承載載力的重重要因素素之一。我我國網(wǎng)殼殼規(guī)程及及文獻【3】中均采采用了NR=(A+BdD)dtdf形形式的承承載力計計算公式式，其中中A、BB為待定定系數(shù)。圖圖 3-5給出出了不同同d/DD時焊接接空心球球節(jié)點的的承載力力變化，圖圖中也給給出了文文獻【3由圖3-55可以看看出，文文獻【33】公式作作為所有有節(jié)點承承載力計計算結(jié)果果的下包包絡(luò)線是是基本合合適的，但但對于dd/D0.6且且

18、D/t=445時的的少量節(jié)節(jié)點會偏偏于不安安全，而而當d/Dtc；當tc44mm時時，1.2（5）當在在確定空空心球外外徑時，球球面上相相鄰桿件件之間的的凈距aa不宜小小于 110mmm（圖 4-22），空空心球直直徑可初初步按下下式估算算：式中， 匯集于于球節(jié)點點任意兩兩相鄰鋼鋼管桿件件間的夾夾角（弧弧度 rrad）； d1，d2 組成成角的鋼鋼管外徑a 球面上上相鄰桿桿件之間間的凈距距（mmm）圖4-2空空心球節(jié)節(jié)點相鄰鄰鋼管桿桿件（6）當空空心球直直徑過大大、且連連接桿件件又較多多時，為為了減少少空心球球節(jié)點直直徑，允允許部分分腹桿與與腹桿或或腹桿與與弦桿相相匯交，但但必須滿滿足以下下構(gòu)

19、造要要求；（i）所有有匯交桿桿件的軸軸線必須須通過球球中心線線；（ii）匯匯交兩桿桿中，截截面積大大的桿件件必須全全截面焊焊在球上上（當兩兩桿截面面積相等等時，取取受拉桿桿），另另一桿坡坡口焊在在相匯交交桿上，但但必須保保證有 3/44 截面面焊在球球上，并并用加勁勁板加強強；（iii）受力大的桿件，可按圖 4-3設(shè)置加勁板，或按圖 4-4增設(shè)支托板。圖4-3 匯交桿桿件連接接圖4-4匯匯交桿件件連接增增設(shè)支托托板（7）當空空心球外外徑大于于 3000mmm，且桿桿件內(nèi)力力較大需需要提高高承載能能力時，可可在球內(nèi)內(nèi)加肋；當空心心球外徑徑大于或或等于 5000mm，應(yīng)應(yīng)在球內(nèi)內(nèi)加肋。肋肋板必須須

20、設(shè)在軸軸力最大大桿件的的軸線平平面內(nèi)，且且其厚度度不應(yīng)小小于球壁壁的厚度度。六研究存存在的不不足和發(fā)發(fā)展目前為止，關(guān)關(guān)于焊接接空心球球節(jié)點承承載力的的研究主主要對象象為在單單向受力力狀態(tài)下下，而實實際工程程中絕大大多數(shù)焊焊接空心心球節(jié)點點是處于多多向受力力狀態(tài)的的，且除除網(wǎng)架結(jié)結(jié)構(gòu)桿件件大多以以軸壓或或軸拉為為主外，網(wǎng)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)構(gòu)及其他他一些特特殊空間間剛接結(jié)結(jié)構(gòu)的桿桿件多處處于彎矩矩和軸力力共同作作用下。而而關(guān)于這這方面的的研究還還處于空空白或起起步狀態(tài)態(tài)?，F(xiàn)在在實際工工程中多多用單軸軸受力情情況來等效多多向受力力情況。對于加肋的的焊接空空心球節(jié)節(jié)點，規(guī)規(guī)范只給給出了當當僅承受受軸力或或軸力與

21、與彎矩共共同作用用但以軸軸力為主主（m00.8）且且軸力方方向和加加肋方向向一致時時，其承承載力可可乘以加加肋空心心球承載載力提高高系數(shù)來來考慮。而而對其他他情況并并沒有做做出詳細細說明，這這方面的的研究還還尚有待此外，雖然然有了一一些研究究，但規(guī)規(guī)范只針針對節(jié)點點的連接接桿件形形狀中的的圓管，而而對于其其他形狀狀的桿件件（方管管等）尚尚無說明明，這方方面還有有待更多多的研究究來完善善。參考文獻：1 錢錢若軍，楊楊聯(lián)萍，胥胥傳熹.空間格格構(gòu)結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計s.東南大大學出版版社,220077:1336-11382 劉劉錫良. HYPERLINK /kns50/detail.aspx?dbname=CPFD2000&filename=KJJG200009001002&filetitle=%e5%9b%bd%e5%86%85%e5%a4%96%e7%a9%ba%e9%97%b4%e7%bb%93%e6%9e%84%e8%8a%82%e7%82%b9%e7%bb%bc%e8%bf%b0 o 國內(nèi)外空間結(jié)構(gòu)節(jié)點綜述 相似度 79% 國內(nèi)外外空間結(jié)結(jié)構(gòu)節(jié)點點綜述A.第九屆屆空間結(jié)結(jié)構(gòu)學術(shù)術(shù)會議論論文集C, 200003 董董石麟，唐唐海軍，趙趙陽等.軸力和和彎矩共共同作用用