华中科技大学硕士学位论文空间异型钢管相贯节点的理论与试验研究姓名：陈金凤申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：熊世树20050416I摘摘 要要 钢管结构具有外形美观，结构轻巧，设计概念合理等优点，在国内外结构工程中应用越来越广。近年来，跨度大、造型新颖的钢管结构中的相贯节点形状复杂，现行钢结构规范还不能完全解决此类节点的设计问题。所以，进一步研究该类相贯节点的静力工作性能并提出可行的方法来指导工程实践具有重要的意义。 本文以华中科技大学体育中心为工程背景， 采用有限元方法和试验方法对其屋面钢结构中受力复杂的异型钢管相贯节点进行了全面的研究，为设计提供依据。 本文首先对钢管相贯节点的研究情况进行了系统的总结与分析， 详细介绍了试验和理论研究情况。接着，基于理想弹塑性材料、大挠度小应变变形特征及法线变形后仍为直线等假设，采用 NewtonRaphson 增量迭代方法以及位移收敛准则进行方程求解，为复杂相贯节点的计算提供了一种方法。 基于上述非线性有限元法的原理，采用通用有限元程序 ANSYS 和材料性能试验结果，采用四结点弹塑性壳单元（shell143）建立有限元模型，对该异型钢管相贯节点进行了非线性有限元分析。研究了该节点应力发展和节点变形等受力性能，并得出了节点的极限承载力。 最后，对该异型节点进行足尺试验，并将试验结果与有限元分析结果进行对比分析，验证了有限元分析结果的准确性和计算方法的可行性。 本文异型相贯节点的分析方法和试验结果，对于类似工程结构具有重要参考价值。 关键词：关键词：钢管相贯节点 非线性分析 极限承载力 足尺试验 IIAbstract With the advantages of beauty, lightness and rational design concepts, steel tubular structures have got a wide application in China now. These years, with the development of steel structures, the size of steel tubular joints applied in big-span steel structures become larger and more complex. However, the code can not figure out these design problems absolutely. It makes good sense to launch a research of the properties of the steel tubular joints and find a study method in order to throw light on practical projects. In this paper, the project of the stadium is considered which is built in Huazhong University of Science and Technology. Comprehensive researches for the steel tubular joint used in the stadium steel roof are conducted by using the finite element method and full scale test. The research results provide warranty for design. To begin with, systemic summarizations and analysis are given about the static performances of steel tubular joints. Experiments and theories of steel tubular joints are introduced. Then, an ideal elastic-plastic material is assumed, along with the material and geometry being considered nonlinear, the Newton-Raphson increment iterative method and displacement convergence criterion for a solution. From these, one kind of finite element calculative method for computing the bearing capacity of tubular steel is built up. Based on the theory of nonlinear finite element method, finite element model is established by using four-node shell element（shell143）. Elastic-plastic large deflection analysis is conducted with the finite element program named ANSYS. The distribution of stress, plastic-zones spread and deformation of the tubular joints are analyzed. The ultimate strength of the joint is found. At last, full-scale experimental research on circular tubular joints of stadium steel roof is carried out. Through the comparison of the test results and finite element results, the finite element calculation method used in this paper is proved accurate and viable. The analysis method and test results for the multi-planner joints will be more valuable for similar projects. Keywords: Steel tubular joints Nonlinear analysis Ultimate strength Full scale test 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：陈金凤 日期： 2005 年 04 月 16 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保 密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名：陈金凤 指导教师签名： 熊世树 日期：2005 年 04 月 16 日 日期： 2005 年 04 月 16 日 本论文属于 11 绪绪 论论 1.1 引言引言 目前具有较高承载力的钢管结构在世界范围内得到了广泛应用。 尤其是近二十年以来，钢管结构在国内外发展较快且应用更加广泛1。 钢管结构符合钢结构的最新设计观念，即集中使用材料、承重与稳定作用的构件合并、发挥结构的空间作用等。钢管截面具有各向等强，抗扭刚度大；受弯无弱轴，承载能力高； 圆形截面绕流条件和视觉效果好； 钢管端头封闭后抗腐蚀性能好等特点。另外钢管组成的结构轻巧美观，而且用钢量比型钢组成的结构省。 钢管外表面积往往比同样承载性能的开口截面钢构件要小， 这样可减少涂漆与防火保护的费用，在清洁要求较高的场合，像化工厂或食品加工设备，钢管结构较容易除尘，且没有突缘和容易积聚灰尘的地方。这些年来结构工程师逐渐认识到这些因素带来的经济效益，因此钢管结构不仅在海洋工程、桥梁工程、塔桅工程、起重机械工程中得到了广泛的应用，而且在工业及民用建筑工程中的应用也日益广泛。 在各种形式的钢管结构中，其节点设计都是至关重要的2。因为节点的破坏往往会导致与之相连的若干杆件同时失效，从而使整个结构产生破坏。 1.2 钢管节点的分类钢管节点的分类 钢管结构的节点多种多样，主要有以下几种形式3： (1) 焊接空心球节点 焊接空心球节点（图 1.1）是一种应用广泛的节点，钢管与球节点通常采用等强焊接，具有节点构造简单，受力明确，连接方便，不产生节点偏心等优点。但是其焊接工作量大，仰、立焊缝较多，且对焊接质量和杆件尺寸的准确度要求较高。 2图图 1.1 焊接空心球节点焊接空心球节点 1、下弦杆；、下弦杆；2、斜杆；、斜杆；3、竖杆；、竖杆；4、加劲板、加劲板 (2) 螺栓球节点 螺栓球节点（图 1.2）的球表面上，排列着 18 个小方平面和 8 个小正三角形，每个小方平面都与圆心垂直，在每个小方平面上钻孔并套扣，然后用螺栓将钢管与球体相连接。使用螺栓球节点的网架结构具有制作工厂化、平面尺寸及体型随意化、网格图案美观、便于反复拆装的优点。这种型式的节点在德国网架中已大量采用。 （a）螺栓球节点）螺栓球节点 （b）球节点表面）球节点表面 图图 1.2 螺栓球节点螺栓球节点 (3) 半球节点 半球节点（图 1.3）不但可减少半个球，还可以减少拼成球体和焊接的工作量，杆与空心球连接一样。这种节点国内只有试验工程，目前尚未普遍采用。 3图图 1.3 半球节点半球节点 (4) 扁球形节点 一般用于曲面网架，扁球形节点（图 1.4）又称 SDC 节点，是法国沙杜（S.Cluchateau）研制成功的。扁球用两个预制铸钢灌壳焊合而成。 图图 1.4 扁球形节点扁球形节点 (5) 钢板节点 钢板节点（图 1.5）可分为开槽连接、尖头连接、扁头连接。该节点用钢量大，焊接工作量大，现不常用。 4图图 1.5 钢板节点钢板节点 (6) 再分杆节点 再分杆节点（图 1.6）可分为方头开槽和尖头开槽两种。 图图 1.6 再分杆节点再分杆节点 (7) 钢管相贯节点 钢管相贯节点（图 1.7）又称直接焊接节点，节点处两个最粗的相邻杆件贯通，其余杆件通过端部相贯线加工后，直接焊接在贯通杆件的外表。目前采用计算机数控加工技术使钢管相贯线加工变得非常简单。 图图 1.7 钢管相贯节点钢管相贯节点 相贯节点从空间关系来讲，分为平面管节点和空间管节点两大类。平面管节点是指主管和所有支管均位于一个平面内，而空间管节点是指管节点有平面外的支管。平5面管节点的基本类型有 T、Y、K、X 等形式，空间组合后有 XX、TT、TX、KK 等形式4，如图 1.8 所示。 （a）T 形形 （b）X 形形 （c）K 形形 （d）TT 形形 （e）XX