螺栓球节点疲劳及高温力学特性研究

发布时间：2020-09-28 17:50

　　网架结构是一种高阶静定的新型空间结构,由多根杆件按照一定规律组合,通过节点连接成网状,而节点处被认为是网架结构受力最为薄弱的地方,其稳定性和可靠性与整个网架建筑的安全息息相关。螺栓球节点作为网架结构的通用节点形式之一,其螺纹缺口处的应力集中或高温环境下力学特性的变化,都会影响网架结构的整体承载力,最终导致结构坍塌。因此,应用全螺纹模型研究螺栓球节点的疲劳缺口应力集中及高温力学特性具有重要的现实意义。本文的研究内容主要包括:(1)网架结构螺栓球节点常幅疲劳试验研究。对螺栓球节点高强度螺栓的常幅疲劳试验数据进行分析研究,以?_(max)和(35)?为设计参量,建立网架结构螺栓球节点的常幅疲劳设计方法。(2)研究螺栓球节点螺纹缺口对应力集中的影响。从螺纹升角、螺栓直径、栓-球直径比、螺纹牙底圆角半径和多向应力状态五个方面进行了有限元分析。结果表明:无论如何改变螺栓球节点的规格参数,最大应力都出现在高强度螺栓与螺栓球啮合的第一个螺纹牙处;通过计算不同情况下的影响系数,得出螺栓球节点应力集中系数K的通用公式。(3)探索高温螺栓球节点的力学特性变化规律。分析螺栓球节点M20和M24的高温力学试验数据,研究螺栓球节点屈服载荷和极限载荷的变化规律,为高温网架结构的安全承载提供试验和数据支撑。通过ABAQUS对螺栓球节点进行有限元分析,研究发现:高温螺栓球节点的破坏均位于螺栓螺纹处,当温度T≤300℃时,力学特性总体变化不大;当温度T300℃时,屈服载荷和极限载荷都有明显的下降;当温度T700℃后,螺栓球节点基本失去承载能力。结果表明温度对螺栓球节点力学特性有较大影响,建议其工作温度不超过300℃。(4)基于断裂力学理论预估螺栓球节点的疲劳寿命。螺栓球节点的疲劳破坏首先发生在高强度螺栓上,利用高强度螺栓的试验数据预估螺栓球节点的疲劳寿命。通过改变初始裂纹长度和材料的断裂韧性,计算高强度螺栓的疲劳寿命,理论值与试验结果基本吻合,平均误差在30%左右,说明利用断裂力学理论计算高强度螺栓的疲劳寿命精度较高,该研究方法对螺栓球节点的寿命预估具有一定的借鉴意义。
【学位单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH131.3
【部分图文】：

焊接空心球节点

间网架结构的主要组成部分，节点起着支撑和连接多变，影响因素众多，其力学特性的研究一直是钢结构建筑的长远发展[6]。节点形式多样，到目已有上百种，但很多节点都因安装不便、施工复见的有焊接空心球节点、螺栓球节点、焊接钢板节适用于钢管杆件类的网架结构，螺栓球节点适用构，焊接钢板节点可用于两向网架和由四角锥体大，有些节点处的耗钢量高达整体钢用量的五分分[9]。采用焊接空心球节点和螺栓球节点。焊接结构强造成了其对脆性断裂、疲劳破坏和应力腐蚀等都材料的部分力学特性，在焊缝处容易产生各类缺大的应力集中，影响网架结构的承载能力，降低焊全承载埋下隐患，另外现场焊接工作量过大，也]。焊接空心球节点结构如图 1.1 所示。

建筑工业化,螺栓球节点,住宅产业化,网架结构

等特点在各大钢结构建筑中使用非常普遍。螺栓1.2 和图 1.3 所示，包括高强度螺栓、开有螺纹口的螺紧固螺钉、钢管，锥头或封板焊接在钢管的端部，螺螺栓球[15]，由于圆孔较小，螺帽被卡在锥头内部。套筒锥头钢管封板螺栓球高强度螺栓紧固螺钉图 1.2 螺栓球节点

曲线,高强度螺栓,疲劳断口,试件

各杆件的连接部位，节点处受力状态复杂，而且多为交变载荷，其疲劳特性的研究历来是结构设计的重点，与网架结构的发展息息相关。国外学者主要对网壳结构螺栓球节点进行了大量的研究。Gioncu[31]考虑刚接和铰接下螺栓球节点网壳结构承载力的变化，分析了网壳类型、节点刚度、载荷分布等对网壳屈曲的影响。Kato[32]对网壳结构的节点刚度进行了大量的试验研究结果表明螺栓球节点的转动刚度与网壳结构的承载力成正比，即增大节点刚度会提高网壳的承载力水平。Chenaghlou[33]利用有限元方法对螺栓球节点的转动能力和受力性能进行了研究，提出了节点弯矩-转角曲线的理论，并将该方法应用到单层网壳结构的稳定性分析中。断裂力学的发展为网架结构疲劳特性的研究提供了新的思路。国内学者徐国彬、冯秀娟、杨旭等[34-36]应用断裂力学理论研究了高强度螺栓的疲劳特性，对 40C高强度螺栓进行了常幅拉伸试验，结果表明疲劳断裂是拉力状态下螺栓球节点高强度螺栓的主要破坏形式，高强度螺栓受疲劳影响十分明显，利用热点应力幅建立常幅疲劳设计方法更为准确合理。通过疲劳破坏试点绘制 S-N 曲线，并对破坏断口进行了微观分析，如图 1.4 所示。

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