厚壁钢管节点及其刚度对网壳整体稳定性影响研究

发布时间：2019-11-15 04:27

【摘要】：目前单层网壳结构中杆件常采用圆管，与之相配套的节点形式通常为焊接空心球。随着对建筑美观上的追求，球节点在一定程度上未能满足该需求。圆管与球节点所形成的节点区域，其上下面均为曲面，，对结构表面的覆盖物，如玻璃、金属屋面等的铺设造成不便。为解决上述问题，网壳结构中杆件也可采用矩形管。但杆件较多时，矩形管的相贯节点不仅在构造上麻烦而且节点核心区相交十分复杂。为解决矩形管的连接问题，一种新型的网壳节点形式—厚壁钢管节点被提出。目前在单层网壳设计中节点一般简化成理想刚接，但实际上节点并不是无限刚的，因此研究该厚壁钢管节点及其刚度对网壳整体稳定性的影响显得很有必要。论文研究内容包括以下四个部分：首先，提出新型节点—厚壁钢管节点尺寸设计的实用公式，并对节点的构造及使用提出几点建议。其次，使用有限元软件ANSYS对厚壁钢管节点进行分析。主要研究节点受轴压、强轴受弯、弱轴受弯时的变形、应力、承载力以及节点初始刚度。重点探讨了厚壁钢管直径、壁厚、连接板板厚等因素的影响。研究表明，节点强轴受弯时，壁厚对节点承载力影响较大，而直径和连接板板厚影响不大。节点分别在弱轴方向受弯和单向受压时，承载力均随壁厚、直径和连接板板厚的增大而增大，三者中钢管壁厚对承载力影响最大。第三，针对现有节点刚度分析程序中节点之间不是两两相连的缺陷，利用ANSYS中的APDL语言编制程序，引入Matrix27单元来模拟节点刚度。通过国内外文献中的3个经典算例，验证所编程序是可行并精确的。第四，对K6型、联方型单层网壳以及浙江省某市开发区公共服务中心的多功能厅单层网壳钢屋盖进行特征值屈曲分析和几何非线性整体稳定分析。研究表明，考虑节点刚度时网壳的特征值和极限稳定承载力相比理想刚接时要小，并且节点刚度对网壳稳定承载力的影响不可忽略。
【图文】：

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1.1 网壳结构的发展概述网壳结构是将杆件沿某个曲面有规律布置而成的空间结构体系[1][2]。它自重轻、结构刚度好、可以覆盖较大的空间，不同曲面的网壳可以提供不同类型的建筑造型，因此建筑师也乐意使用该种结构形式。网壳结构是空间结构常用的一种结构体系。具有实际意义的钢结构网壳由施威德勒设计并建造，从此以后就陆续出现不同形式的网壳，例如肋环型、凯威特型、联方型、等。如今大跨度的展览馆、体育馆等建筑，都有网壳结构的身影。网壳的发展仍在不断向前，其发展趋势是形状越来越新颖，跨度也越来越大。这些年来网壳在国内实际工程中的应用很广并且跨度也很大，例如在 1995 年落成的天津体育馆（图 1-1），屋盖采用双层的球面网壳，直径为 108m，矢高为 35m。2007 年建成的国家大剧院（图 1-2），采用双层的肋环型网壳体系，跨度为 212.2m×l43.6m，高度为 46.285m。

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【参考文献】