李思遥——套筒式节点拉压性能理论及试验研究

1、套筒式节点拉压性能理论及试验研套筒式节点拉压性能理论及试验研究究汇报人：李思遥导 师：薛素铎第十五届空间结构学术会议第十五届空间结构学术会议北京工业大学空间结构研究中心北京工业大学空间结构研究中心 2012014 4- -1010- -3030汇汇 报报 提提 纲纲 套筒式节点简介套筒式节点简介1节点拉压性能理论研究节点拉压性能理论研究2节点拉压性能试验研究节点拉压性能试验研究3结论结论41研究背景网格结构新应用伦敦奥运会游泳馆伦敦奥运会游泳馆研究背景研究背景1研究背景网格结构新应用伦敦奥运会游泳馆伦敦奥运会游泳馆 伦敦奥运会篮球馆是奥运会伦敦奥运会篮球馆是奥运会史上最大的临时性建筑。史上最大

2、的临时性建筑。场馆中场馆中的看台设计独立的单元的看台设计独立的单元可拆可拆卸的网格结构单元卸的网格结构单元，球馆的维护，球馆的维护结构采用结构采用PVC骨架膜。骨架膜。 篮球馆的设计实现了结构的篮球馆的设计实现了结构的可拆卸、可重复利用，重新定义可拆卸、可重复利用，重新定义了临时结构的概念，合理地解决了临时结构的概念，合理地解决了设计年限和荷载取值问题。了设计年限和荷载取值问题。研究背景研究背景1研究背景研究背景伦敦奥运场馆建设的启示伦敦奥运场馆建设的启示 重新思考网格结构的应用范围重新思考网格结构的应用范围 改变观念由建筑结构改变观念由建筑结构 结构如何转化为产品？结构如何转化为产品？ 标准

3、化、工厂化和装配化标准化、工厂化和装配化建筑产品建筑产品1节点构造节点主要连接形式：螺纹联接节点主要连接形式：螺纹联接套筒式节点简介套筒式节点简介5-1 螺纹大径大径d 是螺纹的公称直径。是螺纹的公称直径。小径小径d1常用于强度计算。常用于强度计算。中径中径d2常用于几何计算。常用于几何计算。螺距螺距P 中径线上，相邻两螺纹中径线上，相邻两螺纹牙上对应点间的轴向距离。牙上对应点间的轴向距离。牙型角牙型角a在轴向截面内，在轴向截面内，螺纹牙型两侧边的夹角。螺纹牙型两侧边的夹角。螺纹螺纹螺纹的主要参数螺纹的主要参数牙型高度牙型高度h h牙顶和牙底牙顶和牙底间垂直于轴线的距离间垂直于轴线的距离 22

4、tandnPdS螺纹旋向分左旋和右旋，常用右旋螺纹螺纹旋向分左旋和右旋，常用右旋螺纹螺纹升角螺纹升角螺旋线的切线与螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的垂直于螺纹轴线的平面间的夹角。夹角。啮合（旋合）扣数啮合（旋合）扣数n 内外螺纹内外螺纹咬合的圈数。咬合的圈数。螺纹参数简介套筒式节点简介套筒式节点简介1连接步骤1步骤步骤1 1：接头：接头-1 -1与焊接球焊接与焊接球焊接套筒式节点简介套筒式节点简介连接步骤1步骤步骤2 2：接头：接头-2 -2焊接于杆件端部焊接于杆件端部套筒式节点简介套筒式节点简介连接步骤1步骤步骤3 3：套筒与接头：套筒与接头-1 -1连接连接套筒式节点简介套筒式节点简介

5、连接步骤1套筒式节点简介套筒式节点简介步骤步骤4 4：反向旋转套筒，连接接头：反向旋转套筒，连接接头-1 -1与与-2 -2。2数值模拟研究对象：螺纹部分研究对象：螺纹部分软件：软件：ANSYSANSYS单元：单元：SOLID185SOLID185，TARGETARGE170170，CONTA174CONTA174研究参数：接头壁厚、套筒研究参数：接头壁厚、套筒壁厚、螺距、螺纹啮合扣数壁厚、螺距、螺纹啮合扣数节点拉压性能理论研究节点拉压性能理论研究2数值模拟接头壁厚增接头壁厚增大，节点承大，节点承载力增大。载力增大。接头壁厚对节点承载力的影响接头壁厚对节点承载力的影响 轴拉轴拉10015020

6、025030033.544.555.566.5壁厚 (mm)承载力(MPa)螺距1.5mm螺距2mm螺距2.5mm螺距3mm节点拉压性能理论研究节点拉压性能理论研究2数值模拟套筒壁厚增套筒壁厚增大，节点承大，节点承载力降低，载力降低，幅度幅度2%2%。套筒壁厚对节点承载力的影响套筒壁厚对节点承载力的影响 轴拉轴拉2002102202302402502602702800.110.120.130.140.150.160.170.18位移 (mm)面荷载 (MPa)套筒壁厚4mm套筒壁厚4.5mm套筒壁厚5mm套筒壁厚5.5mm套筒壁厚6mm套筒壁厚6.5mm承载力节点拉压性能理论研究节点拉压性能理

7、论研究2数值模拟螺距对节点承载力的影响螺距对节点承载力的影响 轴拉轴拉螺距增大，螺距增大，节点承载力节点承载力先增大后减先增大后减小。小。10015020025030035011.522.533.544.5螺距 (mm)承载力 (MPa)10扣15扣20扣节点拉压性能理论研究节点拉压性能理论研究2数值模拟啮合扣数对节点承载力的影响啮合扣数对节点承载力的影响 轴拉轴拉100120140160180200220240260280101214161820扣数承载力 (MPa)壁厚4mm，螺距1.5mm壁厚4mm，螺距2mm螺纹啮合扣数螺纹啮合扣数增大，节点承增大，节点承载力先增大后载力先增大后稳定。

8、稳定。节点拉压性能理论研究节点拉压性能理论研究2数值模拟 轴压轴压杆件壁厚对节点承载力的影响杆件壁厚对节点承载力的影响19021023025027029031033.544.555.56壁厚(mm)承载力(MPa)螺距1.5mm螺距2mm螺距2.5mm螺距3mm接头壁厚增接头壁厚增大，节点承大，节点承载力增大。载力增大。节点拉压性能理论研究节点拉压性能理论研究2数值模拟 轴压轴压套筒壁厚对节点承载力的影响套筒壁厚对节点承载力的影响2102202302402502602702800.080.090.10.11位移 (mm)面荷载 (PMa)套筒壁厚3.5mm套筒壁厚4mm套筒壁厚4.5mm套筒壁

9、厚5mm套筒壁厚5.5mm套筒壁厚6mm承载力套筒壁厚增套筒壁厚增大，节点承大，节点承载力降低，载力降低，幅度幅度2%2%。节点拉压性能理论研究节点拉压性能理论研究2数值模拟 轴压轴压螺距对节点承载力的影响螺距对节点承载力的影响螺距增大，螺距增大，节点承载力节点承载力先增大后减先增大后减小。小。22024026028030032011.522.533.544.5螺距 (mm)承载力 (MPa)扣数5扣数10节点拉压性能理论研究节点拉压性能理论研究2数值模拟 轴压轴压啮合扣数对节点承载力的影响啮合扣数对节点承载力的影响2302502702903105678910扣数承载力 (MPa)壁厚4mm，

10、螺距1.5mm壁厚4mm，螺距2mm壁厚5mm，螺距1.5mm壁厚5mm，螺距2mm螺纹啮合扣数螺纹啮合扣数增大，节点承增大，节点承载力先增大后载力先增大后稳定。稳定。节点拉压性能理论研究节点拉压性能理论研究2数值模拟 数值模拟结论：数值模拟结论： 节点节点拉压拉压承载力随承载力随接头接头壁厚的增加而增大壁厚的增加而增大；随螺距的；随螺距的增加先增大后减小；随螺纹啮合扣数的增加先增大后增加先增大后减小；随螺纹啮合扣数的增加先增大后趋于稳定。趋于稳定。 套筒壁厚对节点拉压承载力影响较小，可忽略，在设套筒壁厚对节点拉压承载力影响较小，可忽略，在设计时取值与接头相等。计时取值与接头相等。 当套筒壁厚

11、与杆件壁厚相等，螺距为杆件壁厚当套筒壁厚与杆件壁厚相等，螺距为杆件壁厚1/21/2，杆，杆件与套筒啮合扣数为件与套筒啮合扣数为1515时时, ,套筒丝扣节点承载力较高。套筒丝扣节点承载力较高。 节点拉压性能理论研究节点拉压性能理论研究理论公式2 在实际工作状态下，套筒式节点可能出现的破坏形态有在实际工作状态下，套筒式节点可能出现的破坏形态有四种：（四种：（1）螺纹外露段破坏；（）螺纹外露段破坏；（2）螺纹牙剪切破坏；（）螺纹牙剪切破坏；（3）螺纹牙弯曲破坏；（螺纹牙弯曲破坏；（4）套筒破坏。）套筒破坏。螺纹外露段螺纹外露段节点拉压性能理论研究节点拉压性能理论研究理论公式2螺纹外露段破坏螺纹外露

12、段破坏2215 3()() 16FRPRt 节点承载力为：其中： 为材料的许用正应力。螺纹外露段截面应力为：1/FA1A为螺纹外露段最小截面面积，2215 3()()16ARPRt 节点拉压性能理论研究节点拉压性能理论研究理论公式2螺纹牙剪切破坏螺纹牙剪切破坏 忽略螺纹小螺旋升角的影响，将一圈螺纹沿螺纹大径展开，螺纹牙可看做宽度为的 d悬臂梁。 假设每圈螺纹牙所承受的平均轴力为 ，n为旋合扣数，并作用在以螺纹中径为直径的圆周上，则螺纹牙危险截面A-A上的剪应力为：/F nFdbn节点拉压性能理论研究节点拉压性能理论研究2节点承载力为：2 0.87 FdbnRPn螺纹牙剪切破坏螺纹牙剪切破坏 0

13、.6s为材料的许用剪切应力，取 理论公式节点拉压性能理论研究节点拉压性能理论研究2节点承载力为：螺纹牙弯曲破坏螺纹牙弯曲破坏 螺纹牙危险截面的弯曲应力为：212ddll为弯曲力臂， 30.5824bFRPnb为材料的许用弯曲应力 理论公式26bFldb n节点拉压性能理论研究节点拉压性能理论研究2螺纹牙弯曲破坏螺纹牙弯曲破坏 30.5824bFRPn理论公式2 0.87 FdbnRPn 0.6sbs23FF 易知 ，所以螺纹牙将先发生剪切破坏而螺纹牙将先发生剪切破坏而不发生弯曲破坏。不发生弯曲破坏。节点拉压性能理论研究节点拉压性能理论研究2节点承载力为：套筒破坏套筒破坏 套筒可能发生的破坏形式

14、为套筒在接头-1与接头-2交界处破坏（套筒中部）。2/FA2220005 3()16ARRtP2240005 3() 16FRRtP理论公式 该区域套筒仅承受拉压荷载，其应力为：节点拉压性能理论研究节点拉压性能理论研究2套筒破坏套筒破坏 理论公式2A1A令21AAA22220351()()2 ()2128AtPtPtR tttP0tt0A 由于，且因螺纹加工工艺需要，套筒壁厚不会小于接头壁厚，即：，则节点螺纹外露段必先于套筒发生破坏。节点螺纹外露段必先于套筒发生破坏。 套筒式节点可能出现的破坏形态仅：（套筒式节点可能出现的破坏形态仅：（1）螺纹外露段破）螺纹外露段破坏；（坏；（2）螺纹牙剪切破

15、坏。）螺纹牙剪切破坏。节点拉压性能理论研究节点拉压性能理论研究2节点刚度公式节点刚度公式 理论公式 根据文献：螺纹旋合段等效弹性刚度为根据文献：螺纹旋合段等效弹性刚度为lAEKsbsl为旋合螺纹段弹性变形等效长度sA为旋合螺纹段有效截面面积对于三角形螺纹dl6 . 0节点拉压性能理论研究节点拉压性能理论研究2节点刚度公式节点刚度公式 理论公式 根据文献：螺纹旋合段等效弹性刚度为根据文献：螺纹旋合段等效弹性刚度为lAEKss4 , 3 , 2 , 1, ilEAkiii41211isieqkkk节点拉压性能理论研究节点拉压性能理论研究对比2 理论公式与模拟结果对比理论公式与模拟结果对比轴拉轴拉

16、不同接头壁厚时节点受拉计算结果对比不同接头壁厚时节点受拉计算结果对比承载力位移壁厚(mm)公式(kN)模拟(kN)相对误差(%)公式(mm)模拟(mm)相对误差(%)P=2mm3.5145.2138.64.8 0.1497 0.14533.0 4173.7181.94.5 0.1480 0.13737.8 4.5201.6198.31.7 0.1513 0.13829.5 5229211.78.2 0.1447 0.13626.2 5.5255.8239.46.9 0.1495 0.13917.5 6282.1269.64.6 0.1476 0.13836.7 节点拉压性能理论研究节点拉压性能

17、理论研究对比2 理论公式与模拟结果对比理论公式与模拟结果对比轴拉轴拉 不同螺距时节点受拉计算结果对比不同螺距时节点受拉计算结果对比承载力位移螺距(mm)公式(kN)模拟(kN)相对误差(%)公式(mm)模拟(mm)相对误差(%)n=151.5254.6251.0 1.4 0.1208 0.1132 6.7 2272.1266.0 2.3 0.1476 0.1383 6.7 2.5265.2261.0 1.6 0.1641 0.1585 3.6 3248.5256.0 2.9 0.1755 0.1782 1.5 3.5231.9245.0 5.3 0.1870 0.2014 7.1 4225.5

18、237.0 4.9 0.2081 0.2252 7.6 节点拉压性能理论研究节点拉压性能理论研究对比2 理论公式与模拟结果对比理论公式与模拟结果对比轴拉轴拉 不同旋合扣数时节点受拉承载力值对比计算结果对比不同旋合扣数时节点受拉承载力值对比计算结果对比承载力位移扣数公式(kN)模拟(kN)相对误差(%)公式(mm)模拟(mm)相对误差(%)P=1.5mm, t=4mm10190.7175.9 8.4 0.1273 0.1135 12.2 11190.7175.9 8.4 0.1298 0.1155 12.4 12190.7175.9 8.4 0.1323 0.1162 13.9 13190.71

19、75.9 8.4 0.1348 0.1189 13.4 14190.7175.9 8.4 0.1374 0.1228 11.9 15190.7175.9 8.4 0.1399 0.1286 8.8 16190.7175.9 8.4 0.1424 0.1298 9.7 17190.7175.9 8.4 0.1449 0.1359 6.6 18190.7175.9 8.4 0.1474 0.1375 7.2 节点拉压性能理论研究节点拉压性能理论研究对比2 理论公式与模拟结果对比理论公式与模拟结果对比轴压轴压 不同接头壁厚时节点受压计算结果对比不同接头壁厚时节点受压计算结果对比承载力位移壁厚(mm)

20、公式(kN)模拟(kN)相对误差(%)公式(mm)模拟(mm)相对误差(%)P=2mm3.5145.2152.2 4.6 0.1330 0.13793.6 4173.7175.9 1.3 0.1338 0.13964.1 4.5201.6204.0 1.2 0.1345 0.13983.8 5229229.8 0.4 0.1352 0.12567.6 5.5255.8268.4 4.7 0.1357 0.13212.8 6272.7305.4 10.7 0.1317 0.13351.4 节点拉压性能理论研究节点拉压性能理论研究对比2 理论公式与模拟结果对比理论公式与模拟结果对比轴压轴压 不同螺

21、距时节点受压计算结果对比不同螺距时节点受压计算结果对比承载力位移螺距(mm)公式(kN)模拟(kN)相对误差(%)公式(mm)模拟(mm)相对误差(%)n=151.5299.1300.3 0.4 0.1419 0.14814.2 2282.1310.6 9.2 0.1530 0.16527.4 2.5269.2303.7 11.4 0.1666 0.18258.7 3249.5275.1 9.3 0.1762 0.19529.7 3.5241.9264.7 8.6 0.1951 0.21489.2 4218.5240.4 9.1 0.2016 0.22179.1 节点拉压性能理论研究节点拉压性

22、能理论研究对比2 理论公式与模拟结果对比理论公式与模拟结果对比轴压轴压 不同旋合扣数时节点受压计算结果对比不同旋合扣数时节点受压计算结果对比承载力位移扣数公式(kN)模拟(kN)相对误差(%)公式(mm)模拟(mm)相对误差(%)P=1.5mm, t=4mm5113.2140.7 19.5 0.0681 0.085620.4 6123.9161.9 23.5 0.0762 0.099423.4 7154.5172.4 10.4 0.0970 0.10911.0 8165.1183.0 9.8 0.1059 0.11578.5 9190.7190.0 0.4 0.1248 0.11785.9 1

23、0190.7193.5 1.4 0.1273 0.11877.2 11190.7197.0 3.2 0.1298 0.13010.2 12190.7197.0 3.2 0.1323 0.13210.2 节点拉压性能理论研究节点拉压性能理论研究对比2 对比分析对比分析结论结论： 承载力计算公式：数值模拟结果与理论公式计算结果承载力计算公式：数值模拟结果与理论公式计算结果吻合较好，当吻合较好，当t/Pt/P接近接近2 2时误差最小，公式计算结果略时误差最小，公式计算结果略大于数值模拟结果。大于数值模拟结果。 刚度计算公式：理论公式与数值模拟吻合较好。刚度计算公式：理论公式与数值模拟吻合较好。对比节

24、点拉压性能理论研究节点拉压性能理论研究对比2节点拉压性能理论研究节点拉压性能理论研究 对比 根据计算公式和数值模拟两种方法对比，可得出节点拉根据计算公式和数值模拟两种方法对比，可得出节点拉压承载力设计计算的简化公式。压承载力设计计算的简化公式。 取值条件：t/P2；旋合扣数n=15；套筒壁厚与接头壁厚相等。则节点承载力计算公式为：225 3()() ,=1=1.116FRPRt轴拉时，轴压时；节点的破坏形式为螺纹外露段破坏。 3轴拉试验试件试件 破坏形态破坏形态 试件根据简化设计公式设计。试件根据简化设计公式设计。节点拉压性能试验研究节点拉压性能试验研究轴压试验3试件试件 破坏形态破坏形态 节点拉压性能试验研究节点拉压性能试验研究与数值模拟对比301020304050607000.511.522.53位移（mm