采用自攻螺钉连接的钢管桁架节点承载力及影响因素研究优秀毕业论文 参考文献 可复制黏贴.pdf

了。z 丽 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其 它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：丕兰二盔日期：! ! 星：! 兰：! 垒 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 丕兰三壹 导师签名： _ _ ，_ - _ ”智 _ 8 _ r _ _ ，_ p 一一 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 本文研究的是一种新型的轻钢龙骨结构体系。这种结构体系的基本受力 单元是桁架，而桁架是由方( 矩) 形钢管和扣件连接件通过自攻螺钉连接而 成。由于具有重量轻、标准化程度高、空间布置灵活、抗震性能好、可工业 化生产、建设周期短、环保节能等优点，使得这种结构的应用越来越多，同 时也吸引了大量的研究者进入这个新领域。该结构体系在我国还处于研究和 推广阶段，但在低、多层民用建筑和中、小跨厂房中市场需求巨大。 本文以采用标准连接件和自攻螺钉连接的钢管桁架节点为研究对象，所 做的工作如下： i 、介绍了新型轻钢龙骨体系钢管桁架各种节点的连接方法，找出了自 攻螺钉在设计荷载作用下部分螺钉螺帽被剪断的原因，提出了采用自攻螺钉 和扣件连接件的节点设计方法。 2 、在试验基础上，提出了扣件连接件节点的有限元建模方法，获得了 典型扣件连接件在轴向受压状态的极限承载力和破坏模态，并与试验结果进 行分析比较，证明了有限元建模方法的合理性和正确性，为该系列节点的理 论分析提出一种研究方法。 3 、针对不同扣件连接件节点形式进行一系列有限元分析，得出各扣件 连接件节点的极限承载力和荷载一位移曲线，并考虑连接件的不同厚度对扣 件连接件和节点极限承载力的影响，为扣件连接件的节点设计提供参考。 本文计算的各种扣件连接件和扣件节点的极限承载力及破坏模态可为 新型轻钢龙骨体系的工程应用提供理论支持及数值参考。 关键词：新型轻钢龙骨体系，管桁架，扣件连接件，极限承载力，破坏 模态；有限元分析；影响 一i 5 _ r 。i 7 _ r 一 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho b j e c to ft h i st h e s i si san e wk i n do fl i g h t g a u g es t e e lj o i s ts t r u c t u r e s y s t e m t h eb a s i cu n i to ft h i ss y s t e mi st r u s s ，w h i c hi sc o m p o s e do fs q u a r e ( r e c t a n g u l a r ) t u b e sa n dc l i p sc o n n e c t e db ys c r e w s b e c a u s eo fp o s s e s s i n gm a n ya d v a n t a g e ss u c ha s l i g h tw e i g h t ，h i g h e rs t a n d a r d i z i n g ，a s s i g n i n gs p a c ef l e x i b l e ，g o o dp e r f o r m a n c eo ft h e s e i s m i cr e s i s t a n t ，i n d u s t r i a l i z a t i o np r o d u c i n g ，s h o r tc o n s t r u c t i n gp e r i o d ，p r o t e c t i n g e n v i r o n m e n ta n de c o n o m i z i n ge n e r g ys o u r c ee t c ，t h i s s y s t e mi sw i d e l y u s e da n d s t u d i e d t h i ss t r u c t u r es y s t e mi sa tt h es t a g eo fp o p u l a r i z a t i o na n dr e s e a r c h i n gi nc h i n a ， b u tt h em a r k e td e m a n di ss ol a r g ef o rt h el o w m u l t i p l e s t o r yr e s i d e n t i a lb u i l d i n ga n d m i d d l e s m a l ls p a nb u i l d i n g t a k i n gt h es t e e l t u b et r u s sn o d a lc o n n e c t e db ys t a n d a r dc l i p sa n ds c r e w sa st h e r e s e a r c ho b j e c t ，t h i st h e s i sc o v e r st h ef o l l o w i n g s ： f o rt h en e wl i g h t g a u g es t e e lj o i s ts t r u c t u r es y s t e m ，t h ec o n n e c t i n gm e t h o do f e a c hk i n do fs t e e lt r u s sn o d e si si n t r o d u c e di nt h i st h e s i s ，t h er e a s o ni sf o u n df o rt h e n u tc a po fs c r e wb e i n gs h e a r e du n d e rt h ed e s i g n i n gl o a d ，a n dad e s i g n i n gm e t h o di s p r o v i d e df o r t h en o d e s w h i c hc o n n e c t e db ys c r e w sa n dc l i p s b a s eo nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h et h e s i sp r o v i d e st h ef i n i t ee l e m e n tb u i l d i n g t e c h n i q u e so fc l i pn o d e s ；g e t st h el i m i t i n gb e a r i n gc a p a c i t ya n df a i l u r em o d e lo f c l a s s i c a lc l i p su n d e rs t a t i o no fa x i a lp r e s s t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sr e s u l t sa r e c o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，p r o v i n gt h eb u i l d i n gm o d e lm e t h o di sp r e c i s e ， w h i c hc a nb et a k e na sat h e o r e t i c a la n a l y s i sm e t h o df o rt h e s ek i n d so fn o d e s b a s eo nas e r i e so ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，c o n s i d e r i n gt h ec h a n g eo ft h i c k n e s so f c l i pa n dt u b e ，t h el i m i tb e a r i n gc a p a c i t ya n dl o a d - d i s p l a c e m e n tc u r v eo fe a c hk i n do f c l i pn o d e sa r eo b t a i n e d ，w h i c ha r ep r o v i d e dr e f e r e n c e sf o rt h ec l i pn o d e sd e s i g n i n g t h er e s e a r c hr e s u l t so ft h et h e s i sc a np r o v i d et h et h e o r e t i c a ls u p p o r t i n ga n d n u m e r i c a lr e f e r e n c ef o rt h ea p p l i c a t i o no ft h en e wl i g h t g a u g es t e e lj o i s ts t r u c t u r e s y s t e m k e y w o r d s ：l i g h t g a u g es t e e lj o i s ts t r u c t u r es y s t e m ，s t e e l t u b et r u s s ，c l i p ，l i m i tb e a r i n g c a p a c i t y , f a i l u r em o d e l ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，i n f l u e n c e l i l 武汉理工大学硕士学位论文 目录 摘要i 第一章概述1 1 1 钢管结构的发展、应用及特点1 1 1 1 钢管结构在建筑工程中的发展和应用1 1 1 2 钢管结构的特点3 1 2 桁架结构的原理及分类4 1 2 1 桁架结构原理5 1 2 2 桁架结构分类5 1 3 管桁架构造与节点研究6 1 3 1 钢管材料及制造6 1 3 2 常见钢管桁架节点分类8 1 3 3 一种新型的管桁架节点1 1 1 3 4 管桁架节点的研究1 2 1 4 课题的提出1 5 1 4 1 本文的研究内容1 5 1 4 2 本文的研究目的和意义1 5 第二章管桁架采用自攻螺钉连接的方法1 6 2 1 一种新型的轻钢龙骨体系1 6 2 1 1 新型轻钢龙骨体系简介1 6 2 1 2 新型轻钢龙骨体系钢管桁架的做法1 6 2 2 管桁架采用自攻钉连接的方法综述1 8 2 2 1 扣件连接件的构造及特点1 8 2 2 2 自攻螺钉2 0 2 3 管桁架直杆连接的方法2 3 2 3 1 直“t ”字型节点2 3 2 3 2 “c ”字型节点2 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 3 “z ”字型节点2 5 2 3 4 “几“字型节点2 6 2 4 管桁架斜杆连接的方法2 7 2 4 1 两杆型节点2 7 2 4 2 三杆型节点2 8 2 4 3 四杆型节点2 9 2 5 节点设计方法3 0 2 5 1 自攻螺钉抗剪连接的破坏模式3 0 2 5 2 各国规范中自攻螺钉连接件的抗剪强度计算方法3 1 2 5 3 新型轻钢龙骨体系桁架节点设计方法3 2 第三章管桁架节点的有限元建模方法及验证3 4 3 1 有限元建模方法3 4 3 1 1 模型的建立3 6 3 1 2 网格划分和边界条件3 7 3 1 3 非线性设定4 1 3 2 计算结果整理及分析4 l 3 2 1 “c ”字型扣件连接件的受压连接4 2 3 2 2 “z ”字型扣件连接件的受压连接4 3 3 2 3 “几”字型扣件连接件的受压连接4 4 3 3 计算结果的验证4 6 3 4 本章小结4 6 第四章直杆和斜杆连接的管桁架节点承载力分析4 7 4 1 有限元模型的建立4 7 4 1 1 “z ”字型节点模型的建立4 7 4 1 2 “几”字型节点模型的建立4 9 4 1 3 直“t ”字型节点模型的建立5 0 4 1 4 斜“t ”字型节点模型的建立5 1 4 1 5 三杆型节点模型的建立5 1 v 武汉理工大学硕士学位论文 4 1 6 四杆型节点模型的建立5 2 4 2 直杆型节点的承载力分析5 3 4 2 1 “z ”字型节点的承载力分析5 3 4 2 2 “几”字型节点的承载力分析5 5 4 3 斜杆型节点的承载力分析5 8 4 3 1 两杆型节点的承载力分析5 8 4 3 2 三杆型节点的承载力分析6 1 4 3 3 四杆型节点的承载力分析6 3 4 4 本章小结6 4 第五章管桁架节点承载力的影响因素研究6 5 5 1 厚度对“c ”字型扣件连接件承载力的影响6 5 5 1 1 “c ”字型扣件连接件的破坏模态6 5 5 1 2 “c ”字型扣件连接件的承载力6 6 5 2 厚度对“z ”字型扣件连接件承载力的影响6 7 5 2 1 “z ”字型扣件连接件的破坏模态6 7 5 2 2 “z ”字型扣件连接件的承载力6 8 5 3 厚度对“几”字型扣件连接件承载力的影响6 9 5 3 1 “几”字型扣件连接件的破坏模态6 9 5 3 2 “几”字型扣件连接件的承载力7 0 5 4 厚度对两杆型节点承载力的影响7 1 5 4 1 厚度对直“t 字型节点承载力的影响7 1 5 4 2 厚度对斜“t ”字型节点的承载力的影响7 3 5 5 厚度对三杆型节点承载力的影响7 5 5 5 1 三杆型节点的破坏模态7 5 5 5 2 三杆型节点的承载力7 6 5 6 厚度对四杆型节点承载力的影响7 7 5 6 1 四杆型节点的破坏模态7 7 v i 大学硕士学位论文 7 9 7 9 8 0 8 0 8 1 8 2 8 5 8 6 v i i 1 嚣恿胃7 1 武汉理工大学硕士学位论文 第一章概述 1 1 钢管结构的发展、应用及特点 1 1 1钢管结构在建筑工程中的发展和应用 钢管结构起源于海上或近海结构，如海洋平台结构。世界上第一个现代化的 海洋平台于1 9 4 7 年在墨西哥海湾建成。该海洋平台的建成使人们真正认识到钢 管作为结构基本构件的优越性，从而开始了对钢管结构性能的探索。1 9 6 2 年国 际钢管结构研究发展委员会成立，该组织对钢管结构及其连接节点的性能进行研 究，并对钢管结构进行开发，促进了钢管结构在世界范围的推广应用。1 9 6 9 年 1 0 月美国石油协会颁发了第一个关于海洋平台建议( a p i - r p 一2 a ) 。1 9 7 1 年，s t e l c o 公司出版了世界上第一本钢管连接设计手册。1 9 7 2 年美国焊接协会将钢管结构 设计纳入其新的结构焊接规范中( a w s d l 1 ) 【2 j j 。 7 0 年代之后，钢管结构的研究发展得到较快发展，其研究成果也在工程实 践中得到成攻应用。世界各国相继涌现出许多造型优美、结构独特、攻能卓越的 钢管结构，如德国s t u t t g a r t 机场候机大厅采用钢管构件铸钢节点的树形支撑结 构，造型独特、简洁。日本大阪的k a n s a n 机场航站楼屋面结构，采用圆杆截面 的曲线三角桁架；英国伦敦布什来恩宫，外露式的圆管截面桁架把里面荷载传递 到立柱上，管截面内注入水用于防火，弥补了钢结构建筑耐火性差的弱点；此外 钢管结构还被用于加拿大多伦多广场d o m e 的开合无盖、法国戴高乐机场的高速 铁路火车站等。 我国钢管结构的发展晚于西欧、北美、日本等国，但近十几年来，钢管结构 在我国也得到迅速发展。我国先后建立了一些大型的钢管结构建筑，如深圳机场 二期、南京国际会展中心、沈阳桃仙机场、济南遥墙机场、广州新白云机场航站 楼主楼、广州新白云机场指廊等，如表1 1 所示【4 】。其中广州新白云国际航站楼 屋盖是国内大型的圆管结构建筑，它的指廊和高架连廊则采用了方管结构。而广 州白云机场，其主航站楼占地5 0 0 0 平方米，总建筑面积2 0 0 ，0 0 0 平方米。采用 大跨度空间巨型钢管桁架无盖结构，桁架最大高度1 0 米，最大跨度1 8 0 米，节 点部位最多可1 1 根钢管相贯汇集，为国内之最。除此外，2 0 0 1 年建成的北京植 物园展览温室在我国首次采用相贯节点的曲线钢管桁架结构。上海体育馆的膜结 构屋盖主要由钢管相贯而成的3 2 榀桁架、环梁组成，呈南北对称的马鞍形状， 最大跨度2 8 8 4 m ，标高31 7 4 - - - 7 0 5 4 m ，主桁架最大钢管直径5 0 8 m m ，最大的 一1 写i 下哥：富f _ i 武汉理工大学硕士学位论文 表1 1部分国内钢管结构应用情况4 ，6 ，7 1 2 1 3 】 技术建成 工程名称结构形式结构尺寸 特征年份 长春五环体育馆空间桁架长跨1 9 2 m ，短跨1 4 6 m方管 1 9 9 4 跨度1 8 m ( 悬臂) + 6 0 m + 4 8 m 深圳机场二期空间桁架拱架 圆管 1 9 9 8 开间1 2 m 跨度1 4 m ( 悬臂) + 7 5 m 南京国际会展中心空间桁架拱架 圆管 2 0 0 0 开间2 7 m 跨度1 2 m ( 悬臂) + 5 8 m + 2 9 m 沈阳桃仙机场空间桁架拱架圆管 2 0 0 1 开间1 8 m 跨度7 6 3 m 连跨6 3 m + 6 0 m 济南遥墙机场空间桁架拱架圆管 2 0 0 3 开间3 0 m 广州新白云机场航 站楼主楼 空间桁架拱架跨度7 6 9 m ，开间1 8 m圆管 2 0 0 3 宁波国际会展中心空间桁架跨度2 7 m ，开间9 m圆管 2 0 0 3 上海国际汽车会展变截面鱼腹式 中心三角形桁架 跨度5 5 m ，开间1 2 m 圆管2 0 0 6 1 1 2 钢管结构的特点 钢管结构具有一系列独特的优越性，所以，近2 0 年以来，管结构在现代工 业厂房、仓库、体育馆、展览馆、会场、航站楼、车站等得到了广泛的应用。 钢管的对称截面形式使得截面对于各轴的惯性矩相同，有利于构件的稳定性 设计；闭合截面形式提高了抗扭刚度，有利于构件的局部稳定；与具有同样承载 性能的开口截面相比；钢管截面外表面积较小，减少了防腐、防火涂层的材料消 耗和涂装工作量；在风载作用下，钢管结构所具有的光滑表面比用其他型钢制造 的类似结构所引起的风动荷载小很多 2 】。 钢管杆件在节点处可直接相连，不用节点板，构造简单，节约钢材【8 】。钢管 结构外形美观、结构轻巧、用钢量小，符合钢结构的最新设计观念，可以创造出 优美的结构形式，形成良好的视觉效果。钢管结构内部空间可以用作多个用途， 如可用混凝土填充以增加抗压承载力或者提供防火保护，也可以做为加热或排风 系统的通道” 9 。 与网架结构相比，管桁架结构省去下弦纵向杆件和网架的球节点，可满足各 武汉理工大学硕士学位论文 种不同建筑形式的要求，尤其是构筑圆拱和任意曲线形状比网架结构更有优势。 从网架结构的受力特点可以看出，当其边长比大于1 5 时，其受力特点从双向变 为单向受力，因此对于大多数矩形平面建筑来说，主要是单向受力结构。钢管桁 架结构类似于平面钢桁架，属于单向受力结构，但桁架的上弦由于增大宽度后， 使原平面桁架起控制作用的上弦杆的稳定性得到提高，其各向稳定性相同，节省 材料用量。 表1 2 几种常用钢结构构件截面和物理特性对比4 】 截面 特性 圆管方管热轧h 型钢热轧工字钢 截面尺 1 6 8 3 x 61 4 0 x 1 4 0 x 6删2 4 8 x 1 2 4 x 5 x 8 1 2 2 a 寸( c t n ) 截面面 积( c m 2 ) 3 0 5 4 3 1 2 3 2 3 2 8 93 2 8 2 单位质 皇 2 4 o2 4 52 5 82 5 8 里 ( k g m 。1 ) 惯性矩 ( 伽4 ) i x = i 。= 1 0 0 3i ，= i 。= 9 2 0i x = 3 5 6 0 ，i 。= 2 5 5i x = 2 7 9 2 ，i 、= 2 0 6 回转半 径( c m ) i x = i 。= 5 7 3i x = i 、，= 5 4 2 8i x = 1 0 4 ，i 。= 2 7 8i x = 9 2 2 i = 2 5 截面抗 弯模量 w x = = 1 1 9 4形= 形= 1 3 1 5w x = 2 8 7 ，w j = 4 1 1w x = 2 5 4 ，职= 3 4 3 ( c m 3 ) 外表面 5 2 9 5 6 09 9 2 9 2 0 积( c m 2 ) 扭转惯 性矩 2 0 0 6】4 7 55 2 36 7 5 i t c m 4 风阻体 0 5 1 2o 6 2 02 o2 o 型系数 1 2 桁架结构的原理及分类 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 1 桁架结构原理 桁架是由主要承受轴向拉压力的直杆连接端部所形成的能够承受荷载的几 何不变体系。它由若干杆件集成，并与柱、墙等相互连接形成抵抗荷载- # b 力的 骨架结构，特别适用于跨度大、采用单一构件无法设计的场合。与普通梁相比较， 其压缩一侧的杆件( 上弦) 作为梁的上翼缘；受拉一侧的杆件( 下弦) 作为梁的 下翼缘而工作，腹杆则用于抵抗剪力。 桁架设计时，节点一般作为铰接，仅考虑轴向拉力或压力，但有时也不能忽 视由于节点刚度而产生的次应力。当桁架的所有杆件处于同一平面，只能承受和 它同面的荷载的桁架称为平面桁架；而当杆件不在同一平面，能承受空间方向的 荷载的桁架称为空间桁架。 1 2 2 桁架结构分类 桁架的基本构成为三角形单元，主要靠杆件的轴力来抵抗外力，这种骨架结 构的组成方式有无数种。传统结构中使用的桁架，可以分为三角形桁架和平行弦 桁架两类。三角形桁架主要用于屋盖等有较大坡度要求的场合，平行弦桁架则用 于坡度较小的场合( 如楼面) 。 桁架结构的多数类型是从木结构的桥、屋盖等形式发展而来。单柱桁架( k i n g t r u s s ) 、双柱桁架( q u e e nt r u s s ) 曾是木结构桁架的代表性形式，但随着钢结构 技术的发展，材料的主流变成了钢材。1 8 5 0 年代，英国制作的w a r r a n t 式桁架， 将铸铁用于受压杆件、熟铁用于受拉杆件。以后，随炼钢技术的发展，受压杆件、 受拉杆件都使用了强度更高的钢材，钢结构桁架在建筑物中得到了广泛的应用。 按照桁架的构造形式，桁架可分为( 如图1 3 ) ： ( a ) ：单柱式( k i n g ) ( b ) ：双柱式( q u e e n ) ( c ) ：豪式( h o w e ) ( d ) ：芬克式( f i n k ) ( e ) ：斜腹杆式( w a r r e n ) ( f ) ：交叉腹杆式平行弦( p r a t t ) ( g ) ：斜腹杆式平行弦( w a r r e n ) ( h ) 、( i ) ：锯齿形( s a wt o o t h ) 武汉理工大学硕士学位论文 一了= 一 i _ = _ f 了戛西曩孺霭f 曩f ，_ r 1 c a ) 眨险& 丛沁。 c a )( i ) 图1 3 桁架类型 按照桁架的受力形式，管桁架可分为平面桁架和空间桁架( 图卜4 ) 平面桁架可用于重型工业厂房中的屋架、托架等。也可以作为大跨度平台结 构的梁架承托平台板。有的大跨度工业厂房中，使用交叉桁架体系，而两个方向 的桁架本身还是平面桁架。此外空间桁架( 图1 4 ) 形式现在也广泛应用于候车 厅，体育馆等大跨度建筑中。 图1 4 平面桁架与空间桁架 1 3 管桁架构造与节点研究 1 3 1 钢管材料及制造 钢结构常用的钢材包括中厚板、彩色涂层板、中小型钢、槽钢、角钢、热轧 h 形钢、冷弯型( c 型钢、z 型钢、矩形管、方管) 、焊接( 直缝管和螺旋管) 及无缝钢管等。钢管按截面几何分为两类：圆钢管和矩( 方) 形钢管。 ( 1 ) 圆钢管 6 武汉理工大学硕士学位论文 圆管截面具有承载力高，封闭截面抗腐蚀，形成的结构轻巧、美观，受弯无 弱轴，抗扭刚度大，绕流条件好等优点【1 0 1 ，在海洋结构、钢塔结构中正得到越 来越多的使用。 圆钢管的制作方式，主要有无缝热轧、焊接和铸造。其中焊接圆管有直缝焊 管和螺旋焊管两大类别。直缝焊管是将钢板卷成圆筒状，钢板宽度与圆管周长相 等。螺旋焊管则将钢板斜卷，然后将其焊接起来，焊缝沿钢管长度呈螺旋状，采 用这种工艺可以制作很大直径的钢管。工业厂房中桁架结构构件，一般采用无缝 热轧钢管或直缝焊管。目前我国生产的钢管材型，主要采用q 2 3 5 b 和q 3 4 5 钢 轧制或高频焊接而成，其标准屈服强度分别为2 3 5 n m m 2 和3 4 5n m m 2 。 ( 2 ) 方( 矩) 钢形钢管 矩形钢管主要制作方法有冷弯成型后焊接、冷轧、钢板焊接。直接焊接方、 矩管结构具有较好的抗压和抗扭性能，节点构造简单，外形简洁美观，在国内外 的建筑和工程结构中得到较为广泛的应用。方、矩形管结构常用于桁架结构体系， 目前常用的方、矩形管桁架弦杆和腹杆大都采用方、矩形管1 l 。 矩形钢管的冷弯成型方式，系将钢板在室温条件下由冷压机或弯板机将其折 成方形，或者槽型、带卷边槽型截面。直接弯折成方形的截面用一条直缝焊接， 槽型与带卷边槽型需要两条焊缝。冷弯成型钢管的四角带有一定圆弧，圆弧半径 与壁厚之比越小，冷成型过程产生的塑性变形越大，造成角部屈服点提高，伸长 率下降而平直部分则基本不受影响。 矩形钢管的冷轧成型方式，系将圆钢管进行再次加工，经由辊轧使之变成方 形钢管。与冷弯成型后焊接方管相同，辊轧后的钢板也存在角部圆弧。除了圆弧 部分有应变硬化，方管四边的平直部分是由圆管的弧状部分压制而成，同样也有 较大的残余变形。这使得冷轧成型方管钢材的整体的材料力学性质比冷弯成型方 式更多受到应变硬化的影响。无论冷弯成型方式或冷轧方式制成的钢管，都可以 采取热处理方式减轻或消去硬化效应和残余应力，但因此将提高制作成本。当钢 管壁厚不大时，上述应变硬化还不至于严重恶化方钢管的钢材力学性能，所以工 程中得到广泛应用的是管壁较薄的方钢管。 目前在我国生产的方管的最大规格为2 8 0 2 8 0 1 2 5 ( m m ) ，少数厂家已试 产4 0 0 ) 4 0 0 1 2 ( m m ) 的大尺寸方管。欧洲与北美可采用冷轧和热轧两种成型 工艺生产管材，加拿大生产的方管最大规格为3 0 5 3 0 5 1 3 ( m m ) ；欧洲生产 的方管最大常用规格为4 0 0 ) 4 0 0 1 6 ( m m ) ，还可根据需要定购不超过6 0 0 6 0 0 4 0 ( m m ) 的方管 5 , 1 2 , 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 7 ”。 武汉理工大学硕士学位论文 2 焉5 叠r = i 写昴幂，口丽昂，膏司 1 3 2 常见钢管桁架节点分类 钢管结构节点是多种多样的，一般有以下几种形式 3 7 , 3 8 ：空心钢球焊接节点、 螺栓球节点、半球节点、扁球型节点、钢板节点、再分杆节点、弦杆内加劲节点、 钢管相贯节点、钢管鼓节点、套管节点、腹杆端部压扁式节点、扣件节点等。 ( 1 ) 焊接空心球节点( 图1 5 ) 空心钢球焊接节点是我国网架结构中最常用的节点形式之一。它是由两块钢 板冲压成半球后再对焊而成，构造十分简单，可以批量生产。同时，空心钢球由 于没有方向性，故能与不同方向的杆件连接，为现场施工带来了极大的方便。 图1 5 焊接空心球节点 ( 2 ) 螺栓球节点( 图1 6 ) 螺栓球节点的球表面上，排列有1 8 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 连接，该节点又称米罗( m e r o ) 节点。因为螺栓球节点与管之间的连接不需要 焊接，所以受焊接残余应力的影响很小，而且由于机械化生产程度高、安装方便、 现场操作简单等优点，该节点在平板网架中应用广泛。 图1 6 螺栓球节点 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 半球节点( 图1 7 ) 该节点不但可减少半个球，还可减少拼成球体和焊接的工作量，杆直接焊接 在半球上。这种节点国内只有试验工程，目前尚未普遍采用 图1 7 半球节点 ( 4 ) 扁球型节点( 图1 8 ) 扁球型节点又称s d c 节点，是法国沙杜( s c l u c h a t e a u ) 研制成攻的，一般用 于曲面网架，扁球用两个预制铸钢灌壳焊合而成。 图1 8 扁球节点 ( 5 ) 钢板节点 钢板节点可分为开槽连接、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。 ( 6 ) 再分杆的节点 该节点可分为封头开槽和尖头开槽两种。焊接工作量较大，板承受的集中力 和焊接残余应力较大。 ( 7 ) 弦杆内加劲节点 弦杆内加劲节点在弦杆钢管内部设置加劲板，以防止在集中力和相连腹杆内 力做用下弦杆管壁发生破坏。但这样的连接需要在弦杆钢管上开槽、填板、焊接， 9 武汉理工大学硕士学位论文 工作量大，材料耗费也大。 ( 8 ) 钢管相贯节点( 图1 9 ) 钢管相贯节点为主管相通，支管切成相贯线，直接与主管焊接。这种节点省 料，且受力性能好，节点承载力大。过去认为加工复杂，现用计算机放样和使用 自动切管专用机械切管后，施工精度大大提高，所以该节点的应用越来越广泛。 相贯节点有圆管相贯节点和方管相贯节点等。 图1 - 9 相贯节点 ( 9 ) 钢管鼓节点( 图1 1 0 ) 这种节点是钢管相贯节点的派生节点，用管径较大的短管，二端封板成鼓状， 弦杆和腹杆与其连接。该节点可增加连接杆的数目，承载力大。 图1 1 0 钢管鼓节点 ( 1 0 ) 套管节点 这种节点实际上也是钢管相贯节点的派生节点，目的是为了加厚主管的壁 厚，增大节点的承载能力。 ( 1 d 腹杆端部压扁式节点 腹杆端部压扁式节点是将圆管腹杆的端部压扁，通过螺栓或焊缝与弦杆相连 接，弦杆可以是圆管或者方管。端部的压扁长度应尽可能短，扁平部到圆管的过 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 渡斜率应大于1 ：4 。 此外，常见的钢管节点还有瓠状节点、块状节点等。这些节点与钢管组成了 平面桁架、空间桁架和格构式刚架等各种结构形式。 1 3 3 一种新型的管桁架节点 扣件节点( 图1 1 1 ) 是针对一种新型的轻钢龙骨体系而开发出的一种先进的 节点形式。做为其主要构成的扣件连接件是在热镀锌钢板直接冲压而成，在钢板 上冲出压痕，在钢板边缘冲出翻边，安装时易于固定杆件位置，增大节点板平面 外的刚度，提高了节点的承载力。此外为方便自攻螺钉的安装，扣件连接件上钻 出若干螺钉孔。连接件与腹杆、弦杆通过自攻螺钉相连，操作简单方便【l 8 1 9 。 图1 11 扣件节点及扣件连接件 扣件连接件，克服了传统桁架中焊接及螺栓连接方式中制作工作量大、承载 力低、质量难以保证等不足，制作方便，可大批量生产，构件在加工厂制作完毕 后运到施工现场安装( 图卜1 2 ) 。 图1 1 2 现场待安装构件 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 扣件连接件主要包括直杆连接( 图1 1 3 ) 和斜杆连接( 图1 1 4 ) 两部分。 直杆连接包括“c ”字型、“几字型和“z 字型三种。斜杆连接包括两杆相连、 三杆相连、四杆相连三类。每种连接方法又根据杆件之间的夹角( 一般有4 5 度 和6 0 度两种) 不同分若干类。 “c ”型扣件 “几”字型扣件“z ”型扣件 图1 1 3 直杆型连接件的分类 p 广旦 甄l丝能_ 2 1 0 双耔遥接件三杆连接件四杆遥接件( 1 ) 詈詈詈詈詈皇詈皇毫兰皇! ! ! 詈詈詈詈詈詈詈喜! ! ! 詈! ! 皇詈詈詈詈詈詈! ! ! 詈 图1 1 4 斜杆型连接件的分类 1 3 4 管桁架节点的研究 国内外对于管桁架结构的研究，主要集中在管节点的分析。因为节点的破坏 往往导致与之相连若干杆件的的失效，从而使整个结构破坏。对管节点静力性能 的研究方法，主要有三类：试验、理论和有限元方法。 ( 1 ) 试验研究 近年来，管节点在民用建筑中的广泛应用，使管节点研究受到重视。钢管节 点受力以后，钢管汇交处应力状态十分复杂，即使钢管节点个别应力集中处已进 入屈服，整个节点并不出现明显强度和刚度退化，在继续承受相当大的荷载以后， 塑性区逐渐扩展，直到节点达到极限破坏状态，此时的极限荷载因管节点几何参 ir，。上1 旦 武汉理工大学硕士学位论文 数的不同而不同，可以达到数倍的初始屈服荷载。因此，用弹性方法求解个别点 达到屈服强度来确定节点的强度是相当保守的。 1 9 4 8 年前西德实施了最早的钢管节点的极限强度试验。2 0 世纪5 0 年代，美 国就开始进行钢管结构节点的研究。从6 0 年代起，钢管结构节点的研究在许多 国家得到了广泛开展。t o p a z ，b u o w k a m p e t a l 利用钢模型进行了各种管节点的静 载试验和疲劳试验。7 0 年代以后，钢管结构的研究发展较快，很多研究成果己 经成攻地应用于指导工程实践中，并相继纳入国际技术文件或规范中，在更大范 围内推广了钢管结构的应用。a k y i m a ( 1 9 7 4 ) 首次进行了空间管节点的模型试 验，测试了4 个k k 型管节点在轴力作用下的承载力。m u o y t 和r n o d a ( 1 9 9 0 ) 狈, 4 试了轴力作用下k k 型空间管节点。s o c a t ( 1 9 9 0 ) 进行了8 个t t 型空间管节点轴 力试验。p u a l ( 1 9 9 1 ) 进行了1 2 个竹型空间管节点轴力试验。g n a d h i ( 1 9 9 8 ) 进行了 7 个t 型方主管圆支管试验，研究了节点的疲劳性能 3 9 1 。同时研究者们开始注意 节点试验中的支座条件、试件长度效应、节点的使用环境、拉支管对破坏荷载的 影响等等。节点试验尺寸效应的影响也得到了重视，许多在以往已奉为经典的一 些试验因尺寸过小，其结果的应用遭到了怀疑。到2 0 0 1 年六月在删除了一些过 小尺寸规格的试验结果后，世界上已有1 0 0 0 个左右的圆形钢管节点试验结果的 数据库。 在我国，沈祖炎等( 1 9 9 8 ) 进行了1 1 个试件的k 型管节点的模型试验，检验 了上海八万人体育馆悬挑主桁架的节点设计方案。 ( 2 ) 理论研究 节点理论分析方法较多，可分为试验统计法、薄壳理论法、简化分析法( 包 括截面法、环模型法、冲剪应力法、有效宽度法、塑性铰线法、弦杆壁承压模型 法、弦杆受剪模型法等) 、有限元法及半解析数值法等 试验统计法是建立在实验研究基础上的一种方法，通过对大量实验数据的统 计分析，得出经验公式，是设计公式建立的一种基本方法。但是，由于节点形式 和各种参数的复杂性，这些公式的使用范围是受到限制的。1 9 7 7 年，k u r o b a n ey 对7 3 个十字形节点、5 0 个t 形节点、3 9 8 个广义k 形节点试验结果分别进行回 归分析，得出计算公式 4 0 1 。1 9 8 2 年k u r o b a n e 等人根据7 4 7 个x 、y 、t 、k 型节 点的试验数据，运用多元回归技术给出了屈服和极限强度公式。 早期对圆管节点的理论分析都是采用薄壳理论方法，尽管在理论上塑性铰线 法求得的值为上限，但如果忽略了材料应变硬化、大挠度等一些有利因素的影响， 所求得的承载力值可能小于实际的极限承载力。屈服线理论假设材料为刚塑性， 只考虑结构的极限状态，使得问题的求解大为简化，但结果仍未能较好地反映出 武汉理工大学硕士学位论文 结构实际的极限承载能力，近年来，也逐渐在钢结构薄壁结构中得到发展，在一 些方型管节点屈服线理论的应用已经形成一定体系。1 9 6 6 年r e d w o o d 使用塑性 铰线法分析了r r 节点；1 9 8 0 年p a c k e r 等人在试验的基础上分析了k 节点；日 本规范的方管节点主管翼缘变形破坏模式的设计公式也是建立于屈服线理论基 础上的。 我国的学者在圆管节点的理论研究方面也做了不少有益的工作，陈继祖、陆 化普在剖析各国规范极限承载力公式及影响其强度的主要因素基础上，根据我国 规范设计原则，并考虑国产材质和节点焊接条件，提出了建议的设计承载力公式。 云大真等人采用拟协调元方法，直接在圆柱坐标上构造一拟协调三角形圆柱壳单 元，采用多重子结构法计算，对t 型管节点进行应力分析，并与试验结果对比 得到一些有益的启示。陈铁云等人研究了用塑性节点法分析管节点，认为采用离 散塑性流动定律假设进行弹塑性有限元分析是一种行之有效的和切实可行的方 法。武振宇，张耀春等人对直接焊接钢管节点静力工作性能进行了大量的深入的 研究，对管节点有待研究的问题指明了道路。陈以一，沈祖炎，虞晓华等人提出 了一个基于塑性极限理论的分析模型。 ( 3 ) 有限元计算 近年来，随着计算机运算速度的不断加快以及编程语言的发展，多运用有限 元方法进行管节点的极限承载力计算。j c p a u l 利用有限元软件m a r c 、前处理 软件p r e t u b e 和后处理软件a p t r a n ，分析了x x 型圆管节点在不同支管轴 力比下的承载力，并与x 型圆管节点承载力进行了比较【4 1 l 。 v e g t e 在总结前人所做的有限元分析工作的基础上，运用s d r c i d e a s 建立管节点的有限元模型，通过m e n t a t 导入到s d r c i d e a 中一7 2 l 。 刘建平运用有限元软件a n s y s ，对圆管t 、y 、k 型节点承受轴向荷载的极 限承载力作了计算。 贺东哲运用有限元软件a d i n a ，以及自主开发的前后处理程序，研究了t t 型圆管节点分别在轴力、平面内弯矩和平面外弯矩的作用下的承载性能，并与已 有公式进行了比较。在此基础上，提出了t t 型圆管节点平面内弯矩承载力半经 验公式。 k o s k i m a k i 运用有限元软件a b a q u s ，研究了一个k 型矩形管节点在两组 边界和轴向荷载条件下的承载性能，并分析了支管壁的应力分布【4 引。 d v a l e s 运用有限元软件l u s a s ，研究了x 型矩形管节点受支管轴向拉力的 荷载位移曲线，并与试验结果进行了对比，两者显示了较好的一致性m j 。 傅振岐运用有限元方法分析了k 型间隙矩形管节点支管截面的应力分布、 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 节点变形及节点参数对节点强度的影响，最后给出了节点极限承载力公式。有限 元分析中一般采用v o nm i s e s 屈服准则，并假定等向强化。 近年来用连续介质损伤力学方法模拟裂缝的形成和扩展，并建立了相应断裂 准则。 1 4 课题的提出 1 4 1 本文的研究内容 现阶段对于常见的管桁架节点承载力的研究已较透彻，而对一种新型的节点 一扣件连接件，无论是构造