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焊接空心球节点承载力计算公式研究

发布时间:2019-07-17 23:53 来源:未知 编辑:admin

  (天津大学建筑工程学院,天津,300072)提要:进行了焊接空心球节点承载力的有限元分析,用完成的试验和相关文献对多种直径焊接空心球节点承载能力进 行了试验研究,分析了受压失稳破坏和受拉剪切破坏的特点,详细披露了用贴片云纹干涉法进行的焊接空心球节点的应力 分布的试验资料。结合天津市空间网格结构技术规程的编制,提出了焊接空心球节点承载力计算公式,与现行网架和网壳 规程中的公式进行了分析比较。按照等强设计的原则,提出了一种构造上的判别公式,当满足此公式的判定条件时,可以 免去焊接空心球节点受拉承载力的计算。 关键词:焊接空心球节点、承载力公式、云纹干涉法、受压空心球、受拉空心球 一、焊接空心球节点有限元分析 实际结构中的焊接空心球处于空间受力状态,但研究结构表明在多向和单向受力状态下空心球节点 的承载能力与单向的承载能力相接近,因此选取单向受力状态的焊接空心球模型进行有限元分析。在单 向受力状态下,将球管分开来考虑,把管对球壳的作用力作为~圈竖向的均布力,在此受力情形下分析 球壳表面的应力分布规律。由于球壳及荷载的轴对称性,可只分析空心球的I/8,各边界的支承形式均 为滑动铰支座,即只允许边界在对称面内的法向水平位移,不允许其它方向的位移及任何方向的转动。 基本的分析思路是:把球壳离散为三角形单元,在三角形单元的分界线以适当的约束连接在一起成 为折板,解此折板结构就可以得到球面各点的内力位移。当三角形单元划分的非常小,及有限三角形单 元相当多时,折板结构的解就可以逼近球壳的真实解了。 球壳三角形单元的应力状态可以认为是平面应力状态和薄板应力状态的组合。这是因为在小位移情 形下,平面应力状态的节点力和弯曲应力状态下的节点位移互不相关,而弯曲应力状态下的节点力与平 面应力状态下的节点位移也互不相关。所以组合状态下的单元刚度矩阵可以直接由平面应力单元和弯曲 板单元的刚度矩阵组合而成。然后通过求解总体刚度方程可得到节点位移,进而求得应变和应力。 对D3008-104的受压球节点进行分析,通过有限元计算可得到球面各单元的应力,得到应力变化 规律图(图1、2)。 圈1径向应力分布图 图2环向应力分布图 二、贴片云纹干涉法测球面应力应变 在结构工程领域的研究中.测量物体表面应力应变大都使用电阻应变仪的电测方法。由于近年来新 技术的发展,实验力学中除了已经成熟的光弹性方法、电阻应变仪发之外,还出现了现代激光技术的全 息法、散斑法和云纹法以及声技术等新方法。本文把天津大学罗至善教授发明的贴片云纹干涉法应用于 不可展曲面——球面上,并提出了相应的做法,得到了空心球节点球面的应力应变分布规律。贴片云纹 干涉法的灵敏度超过了激光散斑法而对防震要求无全息法苛刻。同时,云纹法能获得大面积上的应力应 变场,这是电阻应变仪无法相比的。 用贴片云纹干涉法来测不可展开球壳的变形,这时贴片所记录的是变栅距光栅的云纹。把球节点划 分成若干条,用控制误差的方法可求出不同误差情形下全息胶片的最大允许尺寸,在这个范围内的全息 底片,可与局部可展曲面近似。在试验时拍摄到云纹图表示球面的等位移线,通过能保证精度、操作简 便的几何法测定闪现频率,然后可得出各云纹线间的间距,求出相应的应变,从而得到焊接空心球的应 力应变规律。 (一)受压球径向应变的变化 将受压球节点280x6-76x9在环向栅线下的云纹图当作一维问题处理,得到径向应变的变化规律。 图3a为实测环向栅线倍的局部放大图,此云纹共有44条云纹线,可以求出 各云纹间的距离及相应的应变,由此可绘出受压球节点径向应变曲线c)。 (a)实测云纹图 (b)局部放大云纹圈 (c)受压球径向应变分布 图3受压球径向应变的测定 (二)受拉球节点两向应力状态下应力计算 图40.、b分别为受拉球节点径向栅线测定环向应变的云纹图及其局部放大图。 (a)环向应变云纹 (b)放大云纹圈 图4受拉球径向栅线测定环向应变云纹图 图5a、b分剐为受拉球节点环向栅线测球节点径向应变的云纹图及其放大图。 713 (a)径向应变云纹图 (b)放大云纹图 图5环向棚线测球节点径向应变云纹围 根据放大的云纹图,求出出节点位移u、v的几条曲线,然后把测量截面上每一个与云纹图的交点投 影到曲线图上,求出投影图上切线的斜率即为_d/A、芸!、窭、害,然后根据几何方程可以求出各点 以们,dX dy 的应变£,、£,,,。,从而可根据物理方程求出各点的应力。将求得的球面应力变化规律绘入图中可得 到受拉球节点的应力变化图(图6)。 00(a)径向应力分布 (b)环向应力分布 图6受拉球节点应力变化规律 三、焊接空心球节点试验研究及破坏机理分析 以单向受力状态来考察焊接空心球节点的承载能力,所有试件均按单向受力设计了拉、压球节点的 形式。为保证空心球节点的破坏是由于球体的失效引起而不是因为管承载力不足所致,根据经验。将所 有管的厚度取为球壳厚度加上2~4m,受压球节点采用普通的加顶底盖板的形式。受拉球节点全部采用 压扁管端的形式。 本文试验所用球体是按规范在球成品库中取的6个样品,对部分新制的半球做了厚度减薄量的检测。 将成品半球对半切割后得到试件,沿试件的“锅底”——冲压拉薄区球面布置了16个测点。球在锅底的 附近最薄,在赤道即冲压半球的边界处最厚,整个壳体厚度沿半球成锯齿状分布,如图7所示。 714 围7球壳厚度变化 节点用管子全部是专门买进的20号钢厚壁无缝管,管在模具上施焊成型,外观检查节点两头的管均 能保证平直。当全部试件运进实验室后均经过超声波检验,这些节点基本上代表了实际网架中的节点, 故基于这些试件提出的观点更具有工程实际意义。另外对所有的试件还测量了焊缝宽度w的值,其范围 一般在4~8mm。 根据空心球节点的承载力的主要承载力影响因素有球厚6,管径d,球径O,管厚t及球管焊缝宽度 w采用正交试验设计,分别按二水平四因素和二水平二因素设计了两组节点试件。拉压节点采用相同的 正交表。 本文所有试验均为破坏性试验,在天津大学土木系建筑材料实验室完成。试验中测试记录球面等位移线,球面应变e“e。、e ts及管轴向应变;受拉压试件的荷载纵向位移曲线,受压试件的荷载横向 位移曲线;破断荷载值,部分受压球节点屈曲后强度——变形关系图。部分球节点极限承载能力如表1~ 4所示。 897.10空心球节点抗压、抗拉荷载 89717空心球节点抗压、抗拉荷载 试验内容 试件编号 球规格 破坏荷载 1200x6 25.5t 抗压荷载 22006 25.7t 3200x6 28.5t l200x6 31.6t 抗拉荷载 22006 3l,2t 32006 29t 8999空心球节点抗压、抗拉荷载 试验内容 试件号 规格 管材 破坏荷载 lD=2208 0114x6 51.8t 抗压 2D=2208 中114X6 50.2t 3D=2208 01146 52t lD=2208 01146 74t 2D=2208中1146 73.5t 3D=2208 中114X6 75t 90315空心球节点抗压、抗拉荷载 试验内容 球直径~管尺寸81.2 庐300x 12——089X9 55.9中2008——076x 10 49.8 中200x8——中7610 37.5 中200X8——中7610 抗压 37.7 中2008——07610 36.8 中2008_一心7610 实验内容 试件编号 试管直径 规格 破坏荷载 抗压 10764 D=2006 25.5t 2中764 D=2006 25.7t 3中764 D=200X6 29.5t 1m764D=2006 31.6t 2中76X4 D=200X6 3L 2t 3m76X4 D=2006 29t 抗压 l中603.5 D=2006 21.Ot 20603.5 D=2006 17t l中603.5D=2006 19.8t 2中603 5D=200x6 18t 抗压 10894 D=200x6 30t 20894 D=2006 29t l中894D=2006 37t 2中89X4 D=2006 36t 抗压 l中114X4.5 D=2006 35t 2中1144.5 D=2006 37t l中1144.5 D=2006 45t 2中114X4.5D=2006 43t 在试验中受压球破坏现象表明,受压球节点的破坏属于一种特殊的破坏形式,它既不像普通受压试 件,也不同于板的失稳破坏形式,它在开始屈服的同时,还能提供荷载储备,在完全屈服后的下降段, 类似于失稳试件,变形急剧增加的同时,荷载一再下降,而且屈服强度与极限强度之差远小于普通受压 试件的极限强度与屈服强度之差。 从受拉球试验破坏形式上看,它不同于普通低碳钢受拉试件的破坏形式,而是类似于脆性材料的破 坏,其破坏属于“冲切”破坏,这种破坏形式主要体现在似乎还有承载潜力的情况下突然脆断,而且变 形一直与荷载P近似成线形关系变化。 四、焊接空心球节点承载力计算公式 (--)现行网架和网壳规程中焊接空心球承载力计算公式分析 现行网架规程JGJ7—91中,受压、拉空心球承载力计算公式分别为 715 札玑(400td-13.3t2。d2) N,o.55仉fd万 。、.,分别为受压空心球轴向压力、拉力设计值。受压承载力计算公式是经验公式,没有能够反应受压球失稳破坏的机理,因此是不尽合理的。受拉承载力公式也是根据试验结果数据综合整理得出, 没有能够根据受拉球冲切破坏的机理推导其承载力计算公式。 而现行网壳规程JGJ61—2003中把受拉、受压两种受力形式的计算合二为一,其计算公式为: JNR=(o.32+0.6詈)仉mdf R为受压和受拉承载力设计值。公(3).把空心球承载力计算公式建立在承载力较高的受拉形式上,忽略了受压失稳的破坏形态,是不合理,偏于不安全的。因为本文所做的试验及有关文献所做的试验均 证明了受压球节点承载力低于受拉球节点承载力这一现象。 下面将根据本文试验及相关文献数据给出分别按照冲切破坏、失稳破坏推导出的受拉、压空心球承 载力计算公式。 (--)本文提出的空心球承载力计算公式 1、受拉球承载力计算公式 基于本文所做的试验,受拉球属于冲切破坏,故应将受拉球节点的强度计算模式取为冲切模式。采 用冲剪法,运用第四强度理论并考虑一定的安全度建立受拉球节点的承载力设计值计算公式为: +3,3 2、受压球承载力计算公式通过本文的试验可以看出,受压球属于失稳破坏,采用四因素两水平,通过因素相关分析得出受压空 心球节点承载力影响最大的因素时空心球壁厚6,其次是管径影响较大,与受拉空心球不同,主要是因 为受载方式的破坏原因不~样。再次才是球径D的影响大。球径D对承载力具有反增长趋势的影响。影 响最小的因素是管厚t。通过回归分析并考虑安全度建立受压空心球的承载力计算公式为: N,玎,(1.25dt+2x104/D)广 对中2006—60、巾2006—76、02006—89、巾200X6—114、m200X8—76、中2208—114等系列空心球节点,按式(4)、 (5)计算出受拉、压承载力理论值,考虑安全度后与本文的试验值进 行了比较,吻合较好,验证了本文空心球承载力计算理论及计算公式的正确性。 (三)受拉空心球承载力免计算判别公式 作为结构设计的的原则之一“安全适用”,就是既要保证足够的安全性,又要使各项规定简洁、方 便以适合广大科技人员的应用。因此,特提出一项构造措旌,使得空心球节点满足一定条件时,受拉承 载力不必再用公式计算。当然,因为受压失稳的特殊性,公式计算还是必不可少。这项构造措施限定的 是:空心球对壁厚t和与之相连接的钢管壁厚万满足f/万的一定条件。具体推导如下: 受拉球节点承载力公式如式(2)所示,而钢管的承载力为: 目前市场上常用的钢管有妒60X3.5、妒76X3.85、妒89X4.0、妒108X4.5、妒114X5、妒127X6、妒140X8、 毋159X10、12等。经统计计算后得出艿,d的平均值为约0.05,故将万=0.05d代入(5)式得 716 m。==xO.95dSf 当N,。h时,节点承载力可以不算,故有 3/3 万0.95d铲整理后得: q3r/,空心球加助时, f,万竺:1.5 43X1.1 空心球不加肋时, f/8—2.。85:1.65 当不满足时,须按公式(4)进行空心球受拉承载力计算。五、结束语 (10)(12) 文中采用采用理论和试验的方法对焊接空心球节点的承载力进行了分析,并提出了计算公式。首先 采用三角形单元对单向受力状态下的空心球节点进行了分析,并得到了空心球环向和径向应力分布规律。 然后采用贴片云纹法测定受压、拉空心球球面应力、应变,得到了空心球表面应力、应变分布规律。通 过完成的空心球受拉和受压破坏性试验。分析了空心球受压失稳破坏和受拉冲切破坏的破坏机理,并在 此基础上,分析了现行网架、网壳规程中空心球节点承载力计算公式,指出了现行网壳规程中把空心球 受拉、受压承载力计算公式合为一式是不够合理,偏于不安全的。并根据本文试验结果,分别按受拉冲 切破坏和受压失稳破坏的破坏机理考虑一定的安全度后推导了空心球受拉、压承载力计算公式: 受拉承载力计算公式为: 受压承载力计算公式为:N。叩。(1.25dr+2x104ID)f 最后在试验及理论研究的基础上,提出了一项构造上的判别公式,使受拉空心球节点满足此公式的 判定条件时承载力可以不计算。 参考文献 (1)中华人民共和臣行业标准.‘网架结构设计与施工规程》JGJ7—91.北京:中国建筑工业出版社,1991 (2)中华人民共和国行业标准.‘网壳结构技术规程》JGJ61—2003.北京:中国建筑工业出版社,2003 (3)罗至善.云纹干涉法的进展、仪器化及其工程应用前景.第四届全国现代结构工程学术研讨会会议论文集,宁波,2004 《工业建筑》增刊;i137一1146 717

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