Ultimate Bearing Capacity of Hollow Spherical Joints Welded with Circular Pipes under Eccentric Loads

The hollow spherical joints welded with circular pipes applied to the National Swimming Center of China are subjected to large bending moments, but the influence of bending moments is not considered in the design equations in Technical Specification for Latticed Shells. Based on the von Mises yield criterion, multilinear isotropic hardening rule and associated flow rule, the elasto-plastic finite element model is put forward to analyze the behavior of the joints, and a calculation method for the joints under bending moments or eccentric loads is proposed. It is shown by the analytical results of joint that the stiffening rib can improve the ultimate bearing capacity by 10% for joints under axial tensile load, by 40% for joints under axial compressive load, and by 50% for joints under bending moment. The unified calculation equations for joints with or without stiffening rib are put forward, which can be applied to calculating the ultimate bearing capacity of the hollow spherical joints with circular pipes under eccentric loads.

单板焊接空心球节点受拉承载性能研究

单板焊接空心球节点常用做弦支穹顶上部结构连接拉杆或拉索的节点,单板主要承受拉力并传递至焊接空心球,为了满足工程设计的要求,需对其受拉承载性能进行研究.通过试验,研究了不同参数的单板焊接空心球节点轴拉状态下的受力性能和破坏机理,建立有限元模型并进行验证,该模型能较好地反映单板焊接空心球节点轴拉性能,通过有限元模型参数化分析揭示了节点尺寸、加劲肋、单板尺寸等参数对其力学性能的影响规律,并提出单板焊接空心球轴拉承载力计算公式.研究结果表明:单板焊接空心球在轴拉作用下为应力集中导致的剪切强度破坏,破坏发生在单板端部与空心球连接处,表现为焊接空心球被撕裂;有限元应力云图得出破坏时沿着单板平面内拉力方向的剪应力起主要作用;单板焊接空心球节点的受拉承载力随单板宽度及空心球壁厚的增大而明显增大,空心球直径的增大会使承载力略有降低,单板的厚度增加使节点承载力略有提高,单板的高度对节点承载力的影响较小,空心球内设置加劲肋能使承载力提高至少20%;基于参数化提出的单板焊接空心球节点的受拉承载力计算公式能简便地计算出单板焊接空心球节点的承载力,相对误差在±15%以内,满足工程设计误差要求.研究工作可为今后外接单板的焊接空心球节点分析设计提供参考.

双耳板焊接空心球节点轴拉力学性能研究

目的探究双耳板焊接空心球节点的受拉力学特性,揭示破坏机理并探讨影响其承载力的主要因素。方法针对8个双耳板焊接空心球节点进行轴心受拉极限承载力试验,并采用ABAQUS有限元分析软件对节点进行参数化数值分析,重点讨论节点几何尺寸对其承载力的影响。结果在轴向拉力作用下,双耳板焊接空心球节点破坏形式分为空心球开裂破坏,耳板与空心球连接处焊缝失效,且个别试件出现球面局部起皮;空心球与耳板连接端部处应力集中明显,随着荷载增大,在空心球与耳板连接处沿径向逐步进入屈服阶段。结论节点轴拉极限承载力,与空心球直径、耳板宽度与球外径比、耳板厚度与球壁厚度比呈正相关,与空心球径厚比呈负相关,且上述影响因素中空心球壁厚与耳板厚度比对承载力影响相对较小。

冲压成型过程对焊接空心球节点力学性能影响研究

焊接空心球节点在制作和焊接过程中,会引起壁厚减薄率和焊接残余应力等初始缺陷,从而导致节点的力学性能的明显变化。采用有限元数值模拟方法,研究了焊接空心球节点制作和焊接过程中,壁厚减薄率和焊接残余应力的形成机理,研究了其对焊接空心球节点极限承载力的影响规律,发现壁厚减薄率和焊接残余应力对节点力学性能有较为显著的影响,建议在今后设计时适当考虑。

基于三维数字图像相关法的焊接空心球节点的力学性能试验研究

为了克服传统接触式测量难以获取完整位移及应变场的分布与发展的弊端,探索了采用三维数字图像相关法(3D-DIC)跟踪焊接空心球节点位移和应变的分布与发展的可行性与可靠性。使用三维数字图像相关法观测一个焊接空心球受压损伤节点和一个焊接空心球受拉损伤节点的轴心抗压试验的压缩过程,获得两个试件在试验过程中的位移场与应变场,揭示了焊接空心球节点的受力特点和失效机理,并将观测的位移场和应变场与宏观试验现象进行了比较。试验表明:三维数字图像相关法可以测量加载过程中焊接空心球节点的位移场和应变场的变化规律,并且与宏观试验现象吻合较好。由此证明了三维数字图像相关法可应用于大型焊接球节点的力学性能试验研究的可靠性。

北京A380大跨机库节点承载力试验研究

对北京A380机库的关键焊接空心球节点与焊接矩形钢管相贯节点在特定受力条件下的极限承载能力进行了理论分析与试验研究。通过有限元非线性分析确定节点的受力性能,并对节点的构造提出改进意见,然后以模型试验验证节点的极限承载力。研究表明:(1)焊接空心球节点与焊接矩形钢管相贯节点的设计承载力较高,完全能够满足设计方的要求,具有良好的工作性能;(2)在主管轴力较高的情况下,焊接矩形钢管相贯节点的破坏以主管破坏为主;(3)在复杂节点设计与分析中,应合理考虑节点的受力情况,将理论分析与模型试验相结合以确定节点承载力是非常有必要的。

轴力和弯矩共同作用下焊接空心球节点承载力研究与实用计算方法

国家游泳中心“水立方”多面体空间刚架结构中 ,杆件除承受轴力外 ,还承受相当大的弯矩 ,但目前规范对焊接空心球节点在轴力和弯矩共同作用下的设计方法尚属空白。本文采用理想弹塑性应力 应变关系和Von Mises屈服准则、同时考虑几何非线性的影响 ,建立了焊接空心球节点的有限元分析模型 ,对承受轴力、弯矩及两者共同作用的空心球节点进行了大量的非线性有限元分析。通过典型节点的试验研究 ,直观了解节点的受力性能和破坏机理 ,并验证了有限元模型的正确性。文中还推导了基于冲切面剪应力破坏模型的节点承载力的简化理论解。最后 ,综合简化理论解、有限元分析和试验研究的结果 ,提出了轴力和弯矩共同作用下的节点承载力实用计算方法 ,可供实际工程设计采用 。

矩形钢管焊接空心球节点承载能力的简化理论解与实用计算方法研究

国家游泳中心“水立方”的新型多面体空间刚架结构采用配合矩形钢管、且承受轴力与弯矩共同作用的焊接空心球节点,目前规范对该类节点的设计方法尚属空白。在有限元分析和试验研究的基础上,进一步研究轴力、弯矩及两者共同作用下矩形钢管焊接空心球节点的承载能力及设计方法。首先推导基于冲切面剪应力破坏模型的节点承载力简化理论解,从而得到节点承载力计算公式的基本形式。在此基础上,利用有限元分析和试验结果,建立了轴力、单向弯矩以及两者共同作用下节点承载力的实用计算公式。对双向任意弯矩作用的情况,提出了基于线性插值的简化计算方法。成果可供实际工程设计采用,也可供相关规程修订时参考。

超1m直径加劲焊接空心球节点的抗拉极限承载力研究

跨越输电钢管塔中采用了直径超过1m的加肋焊接空心球节点,其承载力计算不满足规范适用条件。论文在具有不同设计参数球节点的有限元建模基础上,进行了节点抗拉有限元分析计算。通过分析破坏模式,讨论了加劲肋在球节点抗拉承载力中的贡献,获得了能反映加劲肋尺寸参数贡献的球节点抗拉承载力计算经验公式。并将经验公式和规范、试验、有限元计算结果进行了比较,表明经验公式可以有效地捕捉这类节点的抗拉极限承载力。

节点刚度对单层柱面网壳地震响应及内力的影响分析

论文首先采用壳单元Shell163建立了单层柱面网壳模型,同时利用壳单元模拟了焊接空心球节点,并通过计算验证了模拟方法的合理性。然后,通过调节空心球节点的厚度,考察了节点刚度变化对单层柱面网壳地震响应的影响,分析结果表明,在强震作用下节点刚度变化对网壳节点响应与杆件内力的影响均较大,建议在进行此类结构的动力分析时考虑节点刚度的影响。

钢管加劲焊接空心球节点的受压承载力分析

采用钢管加劲焊接空心球节点可以使拉索方便地穿过下弦节点,但加劲钢管的存在会影响节点不同方向的受压承载力,现行网架规程尚没有这类节点的受压承载力计算公式.为此,采用三节点及四节点壳单元并考虑钢材的多线性等向强化准则,对节点进行了大变形弹塑性有限元分析,跟踪了节点在轴向压力作用下的荷载位移曲线.通过4组节点的受压破坏试验,发现节点均为弹塑性压曲破坏;将试验值与数值解进行了比较,两者吻合得很好.在此基础上,提出了钢管加劲焊接空心球节点两个方向的受压承载力计算公式.

平面内三向轴压和弯矩共同作用下焊接空心球节点承载力

根据理想弹靼性应力-应变关系和Von—Mises屈服准则，考虑几何非线性影响，建立了焊接空心球节点的有限元分析模型，对在平面内三向轴力作用以及平面内三向轴力与弯矩共同作用下的焊接空心球节点的承载能力进行了非线性有限元分析．参数分析结果表明，在平面内三向轴力作用下，焊接空心球节点的承载力主要和钢管直径与球径的比值、球壁厚以及荷载比值有关；在平面内三向轴力与弯矩共同作用下，焊接空心球节点的承载力主要和钢管直径与球径的比值、偏心距、球壁厚以及荷载比值有关．根据有限元分析结果给出了焊接空-6球节点承载力的实用计算公式．当两侧钢管的直径不同时，计算采用较大钢管的直径；当钢管间的夹角为45°～75°时，计算公式仍可以近似采用．

复杂受力大直径焊接空心球节点的有限元分析与足尺试验研究

针对某体育馆拱形屋盖的超大直径焊接空心球节点设计的需要,对该球节点进行了有限元非线性分析和足尺模型试验研究。首先采用ANSYS软件的shell143弹塑性壳单元,同时考虑几何和材料双重非线性,通过有限元分析得到了该节点的应力分布规律,且在1.5倍设计荷载作用下,四号锥管根部首先屈服。然后,对该节点进行了足尺模型试验,试验结果表明:在1.4倍设计荷载作用下,四号锥管根部首先进入屈服,试验结果和有限元结果基本一致。基于研究结果,为工程节点设计提供了重要建议。

矩形钢管焊接球节点的有限元分析与试验研究

为了解轴力、弯矩及两者共同作用下矩形钢管焊接空心球节点的受力性能与承载能力,进行了有限元分析和试验研究.采用理想弹塑性应力-应变关系、Von-Mises屈服准则,建立了基于几何非线性的有限元模型,对承受轴力、弯矩及它们共同作用的矩形钢管焊接球节点进行了大量的有限元参数分析.对4个典型足尺节点进行了试验研究,直观了解节点的受力性能和破坏机理,并验证了有限元模型的可靠性.研究表明,轴力和弯矩共同作用的焊接球节点的轴力-弯矩相关关系与节点的几何参数无关,极大地简化节点承载力的计算方法.

半刚性连接焊接空心球网壳弹塑性分析的短杆模型

提出了一种考虑焊接空心球节点半刚性网壳弹塑性分析的"短杆模型",即采用等效短杆模拟焊接空心球节点,通过对质量、横截面积及惯性矩的折算来模拟球的质量及初始刚度,并利用自定义PMM塑性铰模拟焊接空心球节点塑性工作阶段随轴力变化的弯曲刚度。在SAP2000有限元软件中实现了该计算模型的导入,并通过算例证明了采用该模型进行弹塑性分析的可行性。"短杆模型"适用于半刚性连接焊接空心球网壳的静动力弹塑性分析,借助它可以更准确地分析半刚性连接焊接空心球网壳塑性阶段的真实反应和实际工作性能。

受拉焊接空心球节点火灾高温下的性能分析

基于火灾高温下空间网格结构的性能,本文根据欧洲规范了中高温下的钢材特性和国际标准升温曲线(ISO834),对单轴受拉焊接空心球节点高温下的性能进行了数值模拟,分析了空心球的温度场分布规律和极限耐火时间的影响因素。通过分析高温下空心球的应力和位移变化特征,确定了其破坏模式;结果表明钢管根部和赤道处是其高温下受拉承载力的薄弱环节。

北京大兴国际机场大直径焊接空心球节点力学性能研究

北京大兴国际机场被英国《卫报》评选为"新世界七大奇迹"榜首。以北京大兴国际机场航站楼屋盖钢结构所采用的大直径焊接空心球节点为研究对象,完成了鼓形焊接空心球节点足尺模型的抗拉和抗压破坏试验,揭示了节点的受力特点和失效机理;建立了精确的有限元数值模型,经试验数据验证后,进一步研究了大直径焊接空心球节点的承载力机理。研究结果表明:大直径焊接空心球节点在轴压和轴拉作用下的破坏模式分别为球管连接处失稳凹陷破坏和球体开裂破坏;试验得到的承载力结果远高于现行规范公式计算的承载力结果,满足规范要求。研究工作可为今后大直径焊接空心球节点的分析设计提供参考。

基于纯弯状态的焊接空心球节点抗弯刚度

为研究弦支穹顶等空间结构中焊接空心球节点的抗弯刚度,根据弦支穹顶工程中常用焊接空心球和钢管规格调研结果,结合规范要求,采用正交设计法设计了18个节点试件,试验研究了纯弯受力状态下焊接空心球节点的名义抗弯刚度;采用线性强化应力-应变关系,同时考虑几何非线性的影响,利用弧长法追踪弯矩-转角曲线,对承受纯弯作用的空心球节点抗弯刚度进行有限元分析;基于有限元分析和试验研究的结果,得到较精确的节点抗弯刚度计算公式,为进一步考虑节点刚度影响的空间网格结构的力学性能和失效机理研究提供参考.

网架焊接空心球节点受压承载力的有限元分析

本文采用８结点４０自由度剪切厚壳单元对网架焊接空心球受压节点进行了弹塑性分析．通过对各种尺寸的节点不同加载方式的计算，分析了球面的塑性区分布、应变及位移的分布和变化规律，以及球体和钢管的尺寸、加劲肋与否、加载方式等因素对球体承载力的影响．通过对１５０多种不同情况的节点计算结果的回归分析，得出了更为合理的受压球体承载力计算公式．

弦支穹顶支座处焊接空心球节点压弯状态下力学性能研究

为研究弦支穹顶结构支座处焊接空心球节点压弯状态下的力学性能,考虑焊接空心球壁厚、钢管外径、球外部和球内部加肋方式等因素的影响,采用正交法设计制作了4个试件.通过加载试验和有限元分析,获得了节点荷载-位移曲线、弯矩-转角曲线及破坏模式.进而考虑支座肋板构造的影响,分析了弦支穹顶支座焊接空心球节点压弯状态下的承载力及初始刚度.结果表明压弯受力状态下,焊接空心球节点球管连接处应力增长较快且最先达到屈服,节点在弯矩作用平面内压弯破坏;节点的压弯承载力及节点刚度与焊接空心球壁厚、钢管外径呈正相关;外部肋板构造对压弯状态下节点受力性能影响较小;在弯曲作用平面内合理设置焊接空心球内部加肋能有效提高节点的压弯承载力,但对节点刚度影响不大.