螺栓空心球壳节点的研发

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论文字数:49855 论文编号:sb2022022210152143749 日期:2022-03-04 来源:硕博论文网
本文是一篇土木工工程论文,本文探讨了加劲肋的厚度、宽度、长度、布置方式及数量对节点承载力的影响;基于某高校试验室新建网架,分别设计焊接空心球节点,螺栓球节点,螺栓空心球壳节点,对三种网架在多方面进行对比分析。

第一章   绪论

1.1   空间网格结构的发展
近千年来,科学技术水平不断迭代更新、迅猛发展,物质条件极度充盈,致使人们的生活、生产需求日趋旺盛,空间结构的发展与其息息相关、紧密联系,伴随人类文明的不断进化发展,空间结构也度过了一个漫长的发展历程。
根据发展历程、形式类型、结构特性、技术水平可把空间结构区分为古代空间结构、近代空间结构和现代空间结构[1]。
古代结构最杰出的代表毫无疑问非罗马万神殿莫属。其主要由混凝土、砖石构筑而成,结构形式为拱式穹顶,穹顶直径与顶端高度一致,均为 43.4 米,是罗马空间穹顶技术的最高代表,如下图 1-1(a)。
近现代空间结构中网架结构发展迅猛,尤其在现代空间结构中占有一席之地,例如南京的佛教圣地牛首山佛顶宫,其建筑主体为更加轻便的铝合金结构,整个建筑中的大穹顶为长度 251 米,半悬挑达 116 米的网格铝合金结构。此项目构造设计在多项指标中创下了铝合金结构的世界之最。如图 1-1(b)所示。
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1.2   空间结构节点形式
1.2.1   网格结构常用连接节点
网格结构是通过节点将分散的杆件联系成为一个结构系统,即结构系统中最为核心的受力部位为节点,当节点将各构件连接起来时,力流将会通过节点在杆件之间传递。作为三向受力结构体系的网格结构,为保持足够的稳定性,任意节点至少需要连接三根杆件,且对于力的非平衡作用而导致的扭转效应则要尽量消除,则对于现场安装误差产生的残余应力亦要尽可能避免。
多年来,随着空间结构形式的多样化,节点构造的种类也呈多样化发展。节点设计趋向构造简单明晰、力流传递合理、施工安装便捷、成本费用低廉,推动空间结构的稳步发展。我国常用网格结构节点有:(1)焊接空心球节点(2)螺栓球节点(3)铸钢节点(4)焊接钢板节点(5)相贯节点。 对常用的网格结构节点进行介绍:
(1)焊接空心球节点
焊接空心球的整球并非一次塑成,通常为两冲压成型的半球壳对焊而成,而杆件与球壳通过在球壳外表面焊接连接形成整个体系。理论上杆件在空心球上可在任意位置进行定位焊接,按照工程实际情况进行杆件尺寸定位等参数设计,保证连接管的中心轴线贯穿球心,以避免节点受力偏心而产生附加弯矩造成受力影响。节点是否安全可靠通常取决于焊工的临场焊接技术,通过优秀焊工进行焊接作业基本可以保证节点受力的可靠度。此种类型节点在我国能普遍推广归功于其构造形式简单、材料成本低廉,焊工技术高超等特点。
近年来,国内外科研学者通过大量足尺试验、有限元分析等多种方法对焊接空心球进行研究,主要针对性研究了节点的承载力、改变相关参数的受力性能变化及其破坏机理等。
(2)螺栓球节点
螺栓球节点最初是由米罗公司创始人创新发明,且在欧洲德国研发,是近年来全球另一使用最广泛的节点之一。通常是由圆钢管杆件、内旋螺纹孔的实心钢球、锥头(或封板)、高强度螺栓、套筒及其相配套的紧固螺钉等零部件组成。该节点常用作网架结构及网壳结构中,节点在受压时由套筒将杆件内力传递到螺栓球上,受拉时由杆件末端的高强度螺栓将力传递给螺栓球。螺栓球节点装配化程度高,工厂制造流程化,高精度,高质量,运输便利,安装便捷,施工周期短,且与焊接空心球相比较可避免高空焊接作业带来的人工误差问题。但其劣势也较为突出,在施工工程中,螺栓球节点常出现“超拧”或“假拧”现象[6]。近年来,国内外研究员通过大量实验及有限元分析对螺栓球节点做了详尽的研究,主要研究分析了节点的承载力性能及破坏机理等。
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第二章   螺栓空心球壳节点的设计

2.1   节点设计的要求
2.1.1   节点设计依据
节点的设计思路其一是装配化。时值全国掀起装配式建筑热潮之际,为积极响应国家号召,顺应建筑行业发展形势,大力发展装配式建筑,再者国内优秀焊工也愈发缺少,人工费用逐年升高,加快推进装配式建筑迫在眉睫,希望节点的制作、安装省时省力,还能够节约成本,使之在现场减少甚至没有焊接作业,安装快捷便利,使整体施工装配化,发明设计该节点对推动我国装配式建筑发展大有裨益。
思路其二是受力优良。受力优良的节点,往往会联想到拱形,球壳等曲面结构,因为曲面结构能很好的传递及分散力的作用,例如我们在大自然中可以发现大多的卵生动物,无论是爬行类还是两栖类,鸟类还是鱼类,它们的卵或蛋表面都为曲面,蛋壳由其优越的构造形状,抵抗残酷的外界环境,使之不会轻易地破损而导致无法完成孵化使命,而鱼类的卵,构造更接近球状,其通常在水中时刻会受到全方位的水压力,它的构造使其可以将四面八方的压力分散化解,得以在水中生存。人类在大自然中汲取灵感,仿生球状物利用其可将任意方向受到的力均匀地向四周分散开的特征,将球形受力结构的特点应用在生活中的方方面面,例如体育项目中多数的球类运动,文具中圆珠笔的笔尖为圆珠,欧洲早期许多建筑物的屋顶多为球状穹顶,种种实例告诉我们球状节点的受力是公认的优良受力形式。
依据这两条主线思路,参照已有的焊接空心球节点及螺栓球节点,汲取两者的优势,太原理工大学闫亚杰副教授及其团队研发出新型螺栓鼓形球面壳节点[45]如图 2-1(a),该节点主要适用于平面支撑结构,节点的核心由球面壳及两边的圆形盖板组成,圆形盖板开有安装孔,以便从球壳内部安装螺母;另外该节点利用鼓形构造的特点,可避免过多占用支撑平面内外的建筑使用空间。其团队后期又研发了用于空间网格结构的螺栓空心球壳节点[46],如图 2-1(b),该节点主要适用于双层网架结构,圆形盖板及安装孔仍保留,连接零部件基本不变,较之前在套筒与球壳之间增添了垫圈以减小两者之间的应力集中,从而提高节点的承载力。本文在前两者的基础上继续拓展改进,提出可适用于多层网架及管桁架的螺栓空心球壳节点。
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2.2   节点的构造设计
新型螺栓空心球壳节点主要包括以下几部分:曲面欧式螺母、单曲面垫圈、网架用高强度螺栓、套筒、封板(锥头)、空心球面壳及杆件。
2.2.1   曲面欧式螺母
作为与高强度螺栓配套的连接杆件与空心球面壳的核心部件,本文采用的螺母较普通螺母进行了改造:球壳内壁与螺母之间不增设内部垫圈,为保证螺母在球壳内部可灵活扭转,并为解决六角螺母棱角与空心球面壳相接触的应力集中问题,将六角螺母升级改造为沿螺孔轴心方向横截面形状为圆形的螺母,该接触端端面需铣成与球壳内壁完全贴合的凸球面,即螺母接触端的凸球面与空心球面壳内表面的曲率半径一致,以使空心球面壳内壁能与曲面欧式螺母接触面紧密贴合。螺母中段横截面半径由接触端向另一端呈渐变式逐渐递减,使螺母体积减小,从而减小螺母自重,进而使节点总质量减小。螺母另一端为未接触球壳端保留操作空间,以便在与垫圈进行螺纹啮合连接时安装方便,该端端面为平面,方便加工,横截面为正六边形,虽安装时通过扭转螺杆而拧入螺母中,不需要扳手固定螺母,但仍可方便手工操作使螺母与垫圈更好地连接。综合三段设计,曲面欧式螺母整体呈圆台状,如图 2-5(a)。
为了在现场安装时可以在不开安装孔的情况下直接将杆件通过螺杆与空心球面壳内部已安装好的螺母进行连接,遂考虑在出厂前将螺母与垫圈通过连接管先行连接在一起,从而在螺母接触端设计与垫圈连接的连接管,与垫圈连接的螺母连接管外壁设计相应宽度的左旋螺纹,设计左旋螺纹的目的是为保证后期螺杆在与螺母右旋螺纹连接时不会将连接在一起的螺母与垫圈重新扭转开,为保证不干扰螺母与垫圈连接部位螺纹的作用,螺母连接管内孔径要比螺母本体内孔径大,螺母连接管长度大于相应空心球面壳壁厚,但小于垫圈内圈及空心球面壳的总厚度,螺栓连接管在制造时与螺栓本体采用电阻焊的方式连接。
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第三章  轴向力作用下螺栓空心球壳节点的有限元分析 ........................ 31
3.1  节点有限元模型 .................................. 31
3.1.1  节点模型的建立 ............................ 31
3.1.2  钢材材料的本构关系 ........................ 32
第四章  轴向力作用下加肋螺栓空心球壳节点的有限元分析 .....................57
4.1  加劲肋厚度对加肋节点承载力的影响 ................................ 57
4.2  加劲肋宽度对加肋节点承载力的影响 ................................ 60
4.3  加劲肋长度对加肋节点承载力的影响 ................................ 63
第五章  螺栓空心球壳节点网架的应用 .......................................73
5.1  工程概况 ........................................ 73
5.2  节点设计 ................................ 75
5.3  网架对比 .............................. 78

第五章   螺栓空心球壳节点网架的应用

5.1   工程概况
该结构试验室总建筑面积约为 1400  平方米,主要分为结构试验室大厅和办公区两部分,结构试验室大厅布置图见图 5-1。
土木工程论文参考
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按照构造要求设计完毕后,进行节点承载力验算分析,原结构网架组合工况中得出最不利情况下各杆件内力,分析对比最危险受拉位置在下弦杆位置,最大拉力为 170.5 kN,此处为 159×8 圆钢管杆件与 220×8 规格球壳节点相连接;最危险受压位置为上弦杆位置,最大压力为 109.6 kN,此处为 140×4.5 圆钢管杆件与 220×8 规格球壳节点相连接。
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第六章   结论及建议

6.1   结论
本文借鉴常用网格结构焊接空心球节点及螺栓球节点的设计特点及原理,在课题组研究的基础上,设计一种螺栓空心球壳节点,可适用于管桁架、多层网架结构;通过参考相应规范、文献等资料,设计出节点各组件的具体规格参数,且详述了本文节点的制作安装步骤及防腐措施;对螺栓空心球壳节点在轴力作用下受力过程进行了数值模拟,通过对节点的荷载——位移曲线,应力分布变化的详细分析,得到了受力过程中各部件的应力分布状态变化规律,及轴向作用力下的破坏机理,并探讨了螺栓空心球外径 D、球壁厚 T、螺栓规格参数变化对节点轴向承载力的影响,提出了适用于本文螺栓空心球壳节点的承载力设计公式;探讨了加劲肋的厚度、宽度、长度、布置方式及数量对节点承载力的影响;基于某高校试验室新建网架,分别设计焊接空心球节点,螺栓球节点,螺栓空心球壳节点,对三种网架在多方面进行对比分析。主要结论如下:
(1)通过分析节点在轴向力作用下的荷载——位移曲线及全过程状态变化,得出轴压状态下节点为失稳破坏;轴拉状态下节点为冲剪破坏。
(2)通过分析应力分布变化,发现了节点在轴力状态下套筒、垫圈、螺栓、螺母、球壳及螺栓孔的全过程应力分布状态变化规律。
(3)当其它参数一定时,节点的极限承载力随球外径 D 的增大而降低,随球壁厚T 的增厚而提高,随 D/T 比值的增大而降低;节点的抗压极限承载力随套筒横截面外接圆直径 e 的增大而提高,随 D/e 值的增大而降低;节点的抗拉极限承载力随螺母接触球壳端直径 dm的增大而提高,随 D/dm值的增大而降低。
参考文献(略)

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