Φ100螺栓球与Φ60×3.5圆钢管节点连接试件的超低周疲劳性能探讨

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论文字数:43256 论文编号:sb2021112715311640161 日期:2021-12-09 来源:硕博论文网
本文是一篇土木工程论文,本文根据国家自然科学基金项目《强震下螺栓球网格结构超低周疲劳性能与评定方法研究》(51578358)中的一部分设计了螺栓球与圆钢管节点连接试件,采用 4 种加载制度对其进行轴向往复加载超低周疲劳试验。

第 1 章  绪论

1.1 选题背景
当今时代,灾难性大地震因在历史上给人类造成了无法估量的巨大损失而受到社会各界的广泛关注[1]。灾难性地震具有较强的突发性和破坏性,虽然其作用时间较短,却对建筑结构产生了巨大的灾害,尤其是人口密度较大而设防烈度较小的城市和城中村。我国位于世界两大地震带-环太平洋地震带与欧亚地震带之间,成为了受地震灾害影响最严重的国家之一[2]。自 20 世纪以来,我国发生 6 级以上地震近 800 次,死亡人数占全球地震死亡人数的 53%,仅河北省唐山市在 1976 年发生的 7.8 级地震和 2008 年四川省汶川县发生的 8.0 级地震死亡的总人数就达到近 32 万[1]。地震灾害对人们的日常生活造成了巨大影响,严重威胁了人类的生命安全和社会秩序,因此构建新型可靠的城镇灾害地震避难和抢险救灾体系与建设韧性城市成为当今的热门话题[2, 3]。
随着人们生活质量的不断提高,人们对交通、学习以及体育运动等各方面都有了更高的要求,大跨度空间结构因其自身优势,其在火车站、图书馆、体育馆等公共建筑中应用越来越广泛。大跨度空间网格结构不仅能满足人们的日常生活需求,而且在灾难性地震作用下保存完好的大跨度空间网格结构常成为灾民安全的避难场所[4, 5]。因此,大跨度空间网格结构在灾难地震作用下的破坏机理与防震减灾设计成为了未来建设韧性城市的重要研究课题。
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1.2 空间网格结构概述
空间网格结构是在近 30 年以来发展速度最快的空间结构形式[6, 7],它是将多根杆件按照某种几何规律,通过节点连接成为的一种网格状的三维空间杆系结构,按结构组成可分为曲面形状的网壳结构和平板形的网架结构。空间网格结构能在国内外发展如此迅速是因为其具有如下优点:
(1)网格结构杆件之间的相互作用密切,使其具有较好的空间整体性、较大的空间刚度以及良好的结构稳定性。
(2)网格结构靠杆件的轴力传递荷载,能够充分发挥材料强度,在减少钢材使用的同时降低了结构的自重。在同等条件下,经过优良设计的网格结构与钢筋混凝土结构相比,其用钢量可以接近钢筋的用钢量,从而省去了大量混凝土的使用,这样结构自重将会减少 70%~80%。与普通钢结构相比,空间网格结构的用钢量可以减少 20%~30%。
(3)抗震性能较好。由于网格结构自重轻,同时钢材具有良好的塑性变形能力,在地震作用下可以通过产生大应变塑性变形来耗散一大部分的地震能量,抗倒塌能力较强。 
(4)网格结构与钢结构建筑相比,高跨比较小。在高度相同的情况下,网格结构具有较大的跨度,空间可支配性更高,能够更加充分地满足人们日常生活的使用需求。
(5)美观大方、工业化程度高、便于现场施工。网格结构轻巧,能够设计成各种形状,造型优美新颖,宏伟大气。因为网格结构的构件尺寸和形状大体上相同,可以在工厂里批量生产,生产效率较高,质量较好,螺栓球节点连接简便可靠,施工速度较快,可以较好的缩短工期。 
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第 2 章  节点连接试件超低周疲劳试验设计

2.1 引言
已有研究表明,空间网格结构在强震作用下可能发生较大塑性变形的超低周疲劳破坏,且螺栓球与圆钢管节点连接处断裂为结构的主要破坏形式之一。螺栓球节点作为连接螺栓球与圆钢管的关键部位,在发生灾难性地震时,其断裂将会改变其他圆钢管与螺栓球之间的受力情况,可能会导致其他杆件因所受地震作用力骤然提高而发生屈曲与破坏,最终可能诱发结构的连续性破坏,致使网格结构建筑无法发挥紧急避难场所的功能。因此,研究螺栓球与圆钢管节点连接在强震作用下的破坏机理与超低周疲劳性能对大跨度空间网格结构的防震减灾设计与未来韧性城市建设具有重大参考意义。然而,目前针对空间网格结构的超低周疲劳性能试验较少,尤其是针对螺栓球与圆钢管节点连接的超低周疲劳性能至今没有相关文献可以参考,因此研究螺栓球与圆钢管节点连接的超低周疲劳性能具有重要意义。根据国家自然科学基金项目《强震下螺栓球网格结构超低周疲劳性能与评定方法研究》(51578358),参与课题组设计了整个试验流程,以螺栓球与圆钢管节点连接试件为研究对象,设计了合理的加载方案、精准的试验设备以及正确的试验数据采集方法,为完成螺栓球与圆钢管节点连接试件的超低周疲劳试验做好充分的工作准备。
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2.2 试件设计
为了研究螺栓球与圆钢管节点连接在不同加载制度下的超低周疲劳性能,课题组根据《空间网格结构技术规程》(JCJ7-2010)[52]及《钢结构连接节点设计手册》[53]相关规程设计了 18 个材料以及构造尺寸完全相同的螺栓球与圆钢管节点连接试件。每个试件由 2 根 Φ60×3.5 圆钢管与 3 个螺栓球节点组成,其中上下两个螺栓球的直径为 180mm,中间螺栓球直径为 100mm。本文仅针对 12 个试件进行描述,试件的基本参数如表 2-1所示。 
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螺栓球与圆钢管节点连接试件在不同方向的荷载作用下,受力情况各不相同。当节点连接试件轴向受拉时,力从圆钢管开始传递到封板,再通过封板将拉力作用到螺栓,最终通过螺栓将力传递给螺栓球,由于节点连接试件受拉时套筒与封板、螺栓球之间均产生一定的缝隙,因此当试件轴向受拉时,套筒不传递拉力;当节点连接试件轴向受压时,压力从圆钢管开始传递到封板,再通过封板将压力作用到套筒,最终通过套筒将力传递给螺栓球,由于节点连接试件在受压时套筒与封板、螺栓球之间相互顶紧,因此在结构设计中一般不考虑螺栓传递压力。
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第 3 章  超低周疲劳试验结果分析 ................................ 21
3.1 引言 ................................ 21
3.2 超低周疲劳试验破坏过程与断后分析 ...................... 21
第 4 章  有限元模拟分析 ......................................... 53
4.1 引言 .............................................. 53
4.2 有限元模型的建立.................................. 53
第 5 章  结论与展望 ......................................... 63
5.1 结论 ............................................ 63
5.2 展望 ..................................... 64

第 4 章  有限元模拟分析

4.1有限元模型的建立
有限元分析模型与实际试件基本相同,分别包含了螺栓球、圆钢管、高强螺栓以及套筒等四个基本组成构件。为了提高模拟精度,试件的有限元分析模型具体参数与真实试件保持一致,模型中钢材的弹性模量与屈服强度均采用真实材料拉伸试验值。如表 4-1 所示为对不同构件进行材料力学性能试验时所得到的具体材料参数。
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本文通过利用 ABAQUS 有限元分析软件,建立了螺栓球与圆钢管节点连接试件的有限元模型,对照试验边界条件对试验过程进行模拟分析。本文的 ABAQUS 有限元分析模型一共包含 4 种基本构件,分别为螺栓球、圆钢管、高强螺栓以及套筒,四种基本构件均采用实体单元。为了减轻计算负担,以试件受压弯曲所在平面为对称面,以实际试件的一半为有限元模型进行模拟分析,最终将计算得到的荷载乘以 2 倍即为有限元模型的正确计算值。
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第 5 章  结论与展望

5.1 结论
为研究强震作用下空间网格结构的超低周疲劳性能,本文根据国家自然科学基金项目《强震下螺栓球网格结构超低周疲劳性能与评定方法研究》(51578358)中的一部分设计了螺栓球与圆钢管节点连接试件,采用 4 种加载制度对其进行轴向往复加载超低周疲劳试验,同时,利用 ABAQUS 有限元软件对试验过程进行初步模拟分析,并得出以下结论:
(1)螺栓球与圆钢管节点连接试件出现典型变形特征的关键时间节点及试件的疲劳寿命因加载制度的不同出现明显差异。不同加载制度下,螺栓球与圆钢管节点连接试件的破坏形态基本相同,破坏发生在试件的中间螺栓球节点处,试件在受压时经历了弯曲失稳、中部节点处高强螺栓因承受较大的弯剪作用发生弯曲变形、高强螺栓因损伤积累到一定程度时萌生裂纹、裂纹扩展直至发生断裂等过程;破坏螺栓颈缩现象明显,所有螺栓的螺纹丝扣均有较严重的变形与磨损,套筒均发生明显的挤压变形,而螺栓球与圆钢管在试验过程中未发生明显的塑性变形;试件在 4 种加载制度下的平均寿命分别为34 次、6 次、18 次、20 次,且螺栓断裂面包含有裂纹起源区、裂纹扩展区以及瞬断区,具有明显的超低周疲劳破坏特征。
(2)根据规范设计的封板在试件受拉时率先进入屈服阶段进行耗能,随后试件在反向受压时高强螺栓受弯剪作用产生弯曲变形,套筒与封板发生挤压变形,试件主要耗能部件为高强螺栓、封板及套筒,因三者塑性变形的体量均较小,其滞回曲线表现为捏拢类型、不饱满、不对称,耗能能力较差,试件的累积耗能均小于 9000J,抗震韧性较差。
(3)不同加载制度下试件的骨架曲线,无论受拉区还是受压区均基本重合,试件受拉和受压时都经历了弹性阶段、弹塑性阶段以及塑性阶段,只是因损伤累积过程不同断裂点会有所不同。
(4)拉压幅值的大小对试件的损伤、刚度退化、承载力退化以及疲劳寿命均有较大影响。压幅值增大会导致高强螺栓弯曲变形增大、试件损伤加速、抗拉刚度与抗拉承载力均退化显著、疲劳寿命减小;拉幅值增大会使试件进入塑性的程度加深,加快试件损伤累积速度,导致试件刚度退化明显,疲劳寿命减小。
参考文献(略)

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