《螺栓球柱节点单向受弯性能有限元分析》
本文是有限元分析方面有关学年毕业论文范文跟螺栓和节点和单向和性能和有限元分析有关专升本毕业论文范文.
摘 要：為研究螺栓球柱节点的受弯性能,基于2个单向受弯节点试验,采用ABAQUS建立了螺栓球柱节点的有限元模型,得到了节点的破坏模式、螺栓内力及荷载-位移曲线.通过对比发现,数值分析结果与试验结果吻合良好,验证了数值模型的可靠性.随后对螺栓球柱节点的数值模型进行了合理简化,并分析了正、负弯矩作用下节点的受力特性.建立了46个数值模型,对影响螺栓球柱节点受弯性能的因素进行了详细的参数分析.结果表1明,增大圆柱筒壁直径及壁厚可显著提高节点的受弯性能;节点的抗弯刚度及承载力随杆件宽度、弧形垫片厚度、螺栓尺寸及间距的增加而提高,且节点受正弯矩时提高更为明显;设置加劲肋可显著提高节点受弯性能.
关键词：螺栓球柱节点;半刚性节点;有限元分析;参数分析;抗弯刚度
中图分类号：TU395文献标志码：A
NumericalStudyonFlexuralBehiorofBoltedBall-cylinderJoint
GUOXiaonong1?,ZENGQiang1,HUANGZewei1,PENGLi2,CHENYu1
（1.CollegeofCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;
2.ShanghaiT&DArchitecturalTechnologyCo,Ltd,Shanghai200092,China）
Abstract：Inordertoinvestigateflexuralbehiorsoftheboltedball-cylinder（BBC）joint,basedon2testsonjointsunderone-waybendingmoment,finiteelement（FE）modelwasdevelopedinABAQUS.Failuremodes,boltinternalforcesaswellastheload-displacementcurvesofthejointswereobtained.Bycomparison,itwaoundthatthenumericalresultsagreedwellwiththeexperimentalresults,verifyingthereliabilityoftheFEmodel.Subsequently,jointmodelunderbendingmomentwassimplifiedandthemechanicalbehiorsofjointunderpositiveandnegativemomentswerediscussed.Intheparametricstudy,46FEmodelswereestablishedtoinvestigatetheeffectsofdifferentparametersonflexuralbehiorsoftheBBCjoint.TheresultsindicatethatincreasingthediameterandthicknessofthehollowcylindercanimprovetheflexuralbehioroftheBBCjointsignificantly;whilethebearingcapacityandstiffnessoftheBBCjointincreasewiththeincreaseofrectangulartubewidth,washerthickness,sizeandintervalofthebolts,andtheeffectswillbemoreobviouswhenpositivemomentisappliedtothejoint.Besides,theribbedstiffnesscanimproveflexuralbehioroftheBBCjointgreatly.
Keywords：boltedball-cylinderjoint;semi-rigidjoint;finiteelementanalysis;parametricanalysis;bendingstiffness
收稿日期：2019-02-17
基金项目：国家自然科学基金资助项目（50908168,51478335）,NationalNaturalScienceFoundationofChina（50908168,51478335）
作者简介：郭小农（1977—）,男,四川金堂人,同济大学副教授,工学博士
我国现行规范《空间网格结构技术规程》（JGJ7—2010）[1]规定：对于网架结构和双层网壳结构,可采用空间铰接杆系结构进行分析,节点假定为铰接;对于单层网壳结构,可采用空间刚接梁系结构进行分析,节点假定为刚接.但现有研究表1明,大多数空间网格结构的节点实际上是半刚性节点,且节点刚度对结构的力学性能有很大影响.王星、完海鹰等[2-4]通过数值分析计算,回归得出了焊接球节点弯曲刚度的计算式,并在网架分析过程中考虑了节点刚度的影响,结果表1明网架内力受节点刚度影响较小而挠度受节点刚度影响较大.Lopez等[5-6]、张竟乐等[7]、康菊等[8]通过试验研究和有限元模拟,分析了不同节点刚度对单层网壳稳定性的影响,研究发现节点刚度对结构的整体稳定性有较大影响.因此,对空间网格结构的节点刚度及其对结构性能影响的研究具有重要意义.
螺栓球柱节点是彭礼等[9]提出的一种适用于无檩网架结构的新型节点.典型的螺栓球柱节点由空心圆柱筒体和实心螺栓半球两部分等强焊接而成,必要时可在筒体开口处增设环形加劲肋,以提高节点的刚度及承载力.对于采用该节点的无檩网架,上弦杆可采用矩形管截面,并通过弧形端板、高强螺栓、弧形垫片等部件与节点体紧密连接;腹杆可采用圆管截面,并与实心半球连接.由于上弦杆为矩形管,抗弯刚度较大,因此结构无需再设置支托和檩条,而将屋面板直接支承于上弦杆表1面,具有节约材料、方便施工的优点,并可获得良好的建筑效果.
与传统网架节点相比,对螺栓球柱节点受力性能的研究相对较少.目前仅郭小农等[10-11]对螺栓球柱节点的受压、受拉及受弯性能进行了试验研究,初步得到了节点在不同受力状态下的破坏模式、应力分布规律及承载力特征;随后通过数值模拟详细分析了单向受压节点的力学特性,提出了螺栓球柱节点单向受压承载力的计算式.然而,螺栓球柱节点是半刚性节点,在轴向受力时会存在荷载偏心现象,使节点承受较大的次弯矩.上述研究主要针对螺栓球柱节点的轴向受力性能进行,缺乏对节点受弯性能的深入研究.
本文在文献[10]中节点受弯试验的基础上,建立了单向受弯螺栓球柱节点的数值分析模型,并将数值分析结果与试验结果进行对比,验证了数值模型的可靠性.隨后对受弯节点模型进行了合理简化,并对影响螺栓球柱节点受弯性能的因素进行了详细的参数分析,得到了节点抗弯刚度的主要影响因素.
1试验简介
1.1试件设置及材料性能
郭小农等[10]共进行了2个足尺单向受弯节点的静力试验.试件详图如图1所示,具体几何尺寸见表11.每个球柱节点均与4根矩形钢管连接,杆件截面规格均为120×60×5（单位为mm）,相邻杆件夹角为90°.为方便加载,各杆件端部均焊接矩形端板,并在实心半球上焊接圆管及正方形端板.杆件及节点的材料牌号均为Q235B,焊缝采用E43焊条等强焊接,所有螺栓均采用10.9级的M20螺栓.
杆件及节点的材料性能由拉伸试验测定,试验前从圆柱体的芯部取样制作了6个材料拉伸试样,最终得到试件节点区材料的力学性能平均值为：弹性模量E等于2.095×105MPa,屈服强度fy等于215.67MPa,抗拉强度fu等于449.73MPa,断后伸长率δ5等于31.13%,最大荷载下总延伸率Agt等于19.40%.
1.2加载方式及测点布置
螺栓球柱节点用于无檩网架上弦,主要承受压力.研究发现螺栓球柱节点是一种半刚性节点,承载变形后轴力可能发生偏心,产生不可忽略的次弯矩.因此对节点施加单向弯矩,以研究节点的受弯性能.加载方式见图2（a）,在实心半球上焊接圆管及加载板以便于施加荷载,弯矩通过作用在加载板上的荷载产生.测点布置见图2（b）,节点的竖向挠度值可由位移计D1～D4的读数按式（1）计算得出.
f等于（δ1+δ2-δ3-δ4）/2.（1）
式中：f为单向受弯节点的中心挠度,mm;δ1～δ4为位移计D1～D4的读数,mm.
1.3试验结果及分析
试验完成后拆卸试件进行观察,试件的破坏模式和极限荷载见表12.试件的主要破坏模式为螺栓拔出破坏.对于无肋试件JD1,圆柱筒壁在管口处沿受力方向明显扩张,在垂直受力方向收缩,而在靠近半球处变形较小;受弯杆靠近管口侧的螺栓发生拔出,弧形端板与筒壁明显脱开,靠近半球侧的筒壁则有受杆件挤压留下的凹痕.对于带肋试件JD2,破坏时圆柱筒壁未见明显变形,节点刚度和承载力显著提高,除发生螺栓拔出外,受力杆与弧形端板间的焊缝发生撕裂.
由图12（a）可知,在正弯矩作用下,弧形端板绕两颗螺栓连线的中点旋转,管口侧螺栓受压,螺栓内力随荷载增加而下降;半球侧螺栓受拉,螺栓内力随荷载增加而上升,如图13（a）所示.由图12（b）可知,在负弯矩作用下,弧形端板绕靠近半球侧边缘旋转,两颗螺栓均受拉,螺栓内力随荷载增加而上升,且管口侧螺栓内力大于半球侧螺栓内力,如图13（b）所示.
节点在正、负弯矩作用下的弯曲-转角曲线如图14所示.正、负弯矩作用下节点的初始抗弯刚度几乎相同;随着荷载增加,节点抗弯刚度均明显下降,且正弯矩作用下节点的抗弯刚度下降幅度更大.节点受正弯矩作用时,管口处筒壁受压变形,节点的抗弯刚度由圆柱筒壁的刚度控制,材料进入塑性后节点的刚度将很快下降至接近于零;节点受负弯矩作用时,实心半球对筒壁变形有约束作用,节点的抗弯刚度由高强螺栓控制,在材料进入塑性后仍具有一定的刚度.由于在正、负弯矩作用下节点受力性能存在较大差别,因此在参数分析中考虑了正、负弯矩两种情况.
4.3节点抗弯承载力取值准则
由图14可知,螺栓球柱节点在正、负弯矩作用下的破坏模式均为延性破坏,且由于材料的强化作用,弯矩-转角曲线无明显下降段.根据欧洲规范[12]中对节点刚度分类的相关规定,螺栓球柱节点属于半刚性节点,因此规定当节点刚度退化至规范规定的半刚性节点刚度范围的下限值时,所对应的弯矩值为节点的抗弯承载力,如图14所示.其中,Sini,p和Mu,p分别为节点在正弯矩作用下的初始刚度和抗弯承载能力;Sini,n和Mu,n分别为节点在负弯矩作用下的初始刚度和抗弯承载力;Spinned为欧洲规范规定的半刚性节点刚度范围的下限值,Spinned等于0.5EIb/Lb,EIb/Lb為节点连接杆件的线刚度,杆件长度Lb取15倍截面高度.
5节点受弯性能影响参数分析
为确定各项参数对螺栓球柱节点受弯性能的影响,建立了46个受弯节点数值模型,并对每个模型分别施加正、负弯矩.所有螺栓球柱节点数值模型的具体尺寸及正、负弯矩作用下节点的初始抗弯刚度见表14.螺栓球柱节点试件编号为LZD-h-t,其中LZ表1示螺栓球柱节点,D、h、t分别为螺栓球柱节点的外径、筒壁高度及壁厚,单位为mm.同时,表14给出了建议的最小矩形管尺寸及配套螺栓尺寸.
5.1圆柱筒壁直径的影响
1～4号模型的弯矩-转角曲线如图15所示.由图15和表14可知,随着圆柱筒壁直径增加,节点的抗弯刚度下降.筒壁直径从100mm增长至160mm时,正、负弯矩作用下节点的初始抗弯刚度分别下降了44.0%和40.8%;抗弯承载力分别下降了21.8%和13.2%.但当筒壁直径D大于120mm时,筒壁直径对节点抗弯刚度及承载力的影响减小.
5.2圆柱筒壁高度的影响
5～11号模型的弯矩-转角曲线如图16所示.由4.2节中的分析可知,正弯矩作用下,节点的抗弯刚度主要由筒壁的刚度控制;负弯矩作用下,节点的抗弯刚度主要由高强螺栓控制,因此筒壁高度对节点抗弯性能的影响可忽略不计.
5.3圆柱筒壁壁厚的影响
12～15号模型的弯矩-转角曲线如图17所示.当其他参数不变时,节点的抗弯刚度及承载力随着圆柱筒壁壁厚的增加而显著上升.但需要注意,当壁厚过大时,筒壁的刚度过大,节点破坏时筒壁变形很小,可能发生螺栓拉断破坏,节点延性明显下降;当壁厚过小时,在负弯矩作用下可能发生筒壁冲切破坏,节点延性同样较低.因此,在实际工程中应对壁厚进行合理设计,保证节点具有良好的延性,避免节点发生脆性破坏.
5.4杆件宽度的影响
16～21号模型的弯矩-转角曲线如图18所示.由表14可知,杆件宽度从30mm增长至80mm时,正、负弯矩作用下节点的初始抗弯刚度分别上升了31.8%和16.9%;抗弯承载力分别上升了23.8%和5.5%.正弯矩作用下杆件宽度对节点受弯性能的影响更为明显.这是由于正弯矩作用下,弧形端板对筒壁变形有约束作用,随杆件宽度增大,筒壁可变形段长度减小,节点刚度明显上升;而负弯矩作用下,弧形端板与筒壁脱开,杆件宽度的影响较小.
5.5弧形垫片宽度的影响
22～25号模型的弯矩-转角曲线如图19所示.当其他参数不变时,正、负弯矩作用下节点的抗弯刚度及承载力几乎不受弧形垫片宽度的影响,各曲线几乎重合.因此,在设计时弧形垫片宽度仅需满足构造要求即可.
5.6弧形垫片厚度的影响
23、26～28号模型的弯矩-转角曲线如图20所示.弧形垫片厚度对节点的抗弯刚度及承载力有一定影响,垫片厚度从4mm增长至10mm时,正、负弯矩作用下节点的初始抗弯刚度分别上升了9.1%和16.5%;抗弯承载力分别上升了9.5%和17.7%.由于垫片与筒壁通过高强螺栓连接,在正、负弯矩作用下两者共同发生弯曲变形（如图12所示）,故增大垫片厚度可提高筒壁的抗弯刚度.
5.7螺栓尺寸的影响
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[1] 有限元分析论文范文 关于有限元分析方面在职研究生论文范文10000字
[2] 有限元分析论文范文 关于有限元分析类论文范例2000字
[3] 有限元分析论文范文 有限元分析论文写作参考范文2万字
