铸钢空心球管节点的破坏机理分析与承载力影响因素

铸钢空心球管节点的破坏机理 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 与承载力影响因素 铸钢空心球管节点的破坏机理分析与承载 力影响因素 第36卷 V01.36 第3期 No.3 山东大学(工学版) JOURNALOFSHANDONGUNIVERSITY(ENGINEERINGSCIENCE) 2OO6年6月 Jun.20o6 文章编号:1672—3961(2006)03-0103-05 铸钢空心球管节点的破坏机理分析与 承载力影响因素 林彦,魏东2 (1.山东建筑 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院土木系,山东济南250014;2.山东建筑工程学院计算机系,山东济南250014) 摘要:铸钢空心球管节点是一种新兴的节点形式.通过对多种不同尺寸的铸钢空心球管节点进行非线性有限元分 析,研究了节点的塑性区扩展过程,变形过程,破坏机理及节点几何参数对其承载力的影响,获得了节点承载力的 主要影响因素及其影响规律,为铸钢空心球管节点的设计提供了理论依据.研究结果可为我国即将编制的铸钢节 点规范提供参考. 关键词:铸钢空心球管节点;非线性有限元;承载力 中图分类号:I-U392文献标识码:A Analysisoffailuremechanismandinfluencefactorsonbearingcapacity ofcaststeelhollowsphericaljointwitlltube LINYan,WEID0 (1.SchoolofCivilEngineering,ShandongUniversityofArchitectureandEnIleng, Jinan250014,China;2.DepartmentofComputer,ShandongUniversityofArchitectureandEngineering, Jinan250014,China) Abstract:Caststeelhollowsphericaljointwithtubeisoneofthedevelopingjoints.Bycomputationofn嘶lil1. earfiniteelementModelforthejointswithdifferentdiameter,plastic?zonespread,dofonnationprocess,failure mechanismandinfluenceofgeometricparametersonjointbearingcapacityarestudied.Someprimaryinfluence factorsOiljointstreng 【}Iarefoundout,whichcanprovidetheoreticalbasisfordesignofcaststeelhollowspher. icaljoint.Theresultscanprovidereferenceforcaststeeljointcode. Keywords:caststeelhollowsphericaljointwithtube;nonlinearfiniteelement;bngcapacity 0引言 铸钢空心球管节点是一种新兴的节点形式,由 文献【1,2】可知,该节点虽然与我国普遍采用的焊接 空心球节点有很多相似之处,但两者之间在节点构 造上存在着根本区别:(1)铸钢空心球管节点的钢管 根部与球整体浇铸在一起,焊缝位于铸钢管上.(2) 节点的球壁与铸钢管壁都比较厚,已超出工程中的 薄壳范围.(3)铸钢管与球交界处的内外侧都有圆滑 过渡,即存在倒角,图l为铸钢空心球管节点的示意 图.正因为这些差异,铸钢空心球管节点的破坏机理 与承载能力发生相应变化,因此对其进行研究是很 有必要的.本文通过非线性有限元分析,研究了节点 的变形特征,破坏机理及承载力影响因素,为今后建 立铸钢空心球管节点的承载力公式提供了理论依据. 收稿日期:2005-01—12 基金项目:山东省自然科学基金项目(Q2004Fo5) 作者简介:林彦0974-),女,山东莱州人,讲师,硕士,主要从事钢结构与空间结构工程 的研究和教学 l04山东大学(工学版)第36卷 图1铸钢空心球管节点 .1Caststeelhollowsphericaljointwithtube 1铸钢空心球管节点的破坏机理分 析 实际工程中的铸钢空L,-0球管节点与多根杆件相 连,处于空间受力状态,受力复杂,但由于该类型节 点与焊接球节点在形状上非常相似,两者都是闭合 的球体结构,都承受和传递多个环向荷载.焊接球节 点的已有研究结果(文献【3,5】)表明,球节点的空 间受力特性与单向受力相似,并且节点的承载力主 要由单向受力状态控制,因此参照焊接球节点破坏 机理的研究方法以及文献【6】的分析方法,我们用有 限元软件ANSYS对几十种不同规格的铸钢空心球管 节点进行单向受力状态下的非线性有限元分析. 1.1有限元计算模型 由于铸钢空心球管节点在单向受力状态下,其 节点的几何形状与所受荷载都关于中心轴对称,因 此用ANSYS分析时,把节点简化为轴对称模型进行 计算,以提高计算速度并且在非线性有限元分析过 程中考虑了网格精度,边界条件,材料性能等因素, 以使获得结果具有较高的工程精度.节点建模采用 具有轴对称性能并且具有塑性,大变形和大应变等 特性的四节点平面单元,单元类型为PIANF~2,单元 的每个节点有两个自由度,即R,z方向的线位移. 分析中铸钢假定为理想的弹塑性材料,材料的弹性 模量为2.06×l0sN/mm2,屈服强度为230N/,进 行弹塑性分析时,采用VonMises屈服准则及相关的 流动法则.由于铸钢球管节点的壁比较厚,为提高计 算精度,网格划分控制单元边长为1O,20mm,管球 交界处缩小单元尺寸,使其为原单元边长的一半.边 界条件在下部铸钢管端部设置固端约束;轴对称处 设置对称约束.为了描述荷载一位移曲线的非线性 特性,对节点通过位移施加荷载.其方法是将上部铸 钢管端部节点的竖向位移自由度进行耦合,然后在 主自由度上施加位移.弹性阶段,每个荷载步内施加 位移1nq/n,在相应荷载步内又分10个荷载子步;当 节点进入塑性以后,为了确保非线性分析紧紧跟随 结构的载荷响应,每个荷载步内施加位移1咖,但 每个荷载步内分20个荷载子步.图2为铸钢空心球 管节点的有限元计算模型. (曩)整体模型(b)倒角处的局部放大模型 (a)lmgr~model(b)Magnifyingmodzlinm搬 图2有限元模型 Fig.2Finiteelementmodel 1.2节点的塑性区扩展过程 根据对多种不同规格的铸钢空心球管节点单向 受拉状态下的非线性有限元分析结果,可知当节点 受轴向拉力作用时,铸钢管与球的外侧倒角处产生 应力集中,此处点的应力首先达到材料的屈服强度, 进入塑性,但此时并不意味着节点将立即破坏,随着 荷载的逐渐增加,球体上的塑性区不断向外侧倒角 处的球壁内侧及球体四周扩散,直至出现显着的局 部塑性变形.图3给出了受拉铸钢球管节点的塑性 区扩展过程. 1.3节点的变形特征 铸钢管与球外侧倒角区域的应力状态比较复 杂,而且各应力在此处均达到最大值,是节点的最不 利部位.在保证铸钢管具有可靠承载力的条件下,当 节点受轴向拉力作用时,此处首先进入塑性,随着荷 载的增加,倒角附近的球面被向上拉起,出现显着的 塑性变形,倒角处的球壁逐渐变薄,在倒角与球体相 切的球壁截面上出现明显的颈缩现象,其节点的变 形过程如图4所示. 鉴于上述对受拉铸钢空心球管节点的塑性区扩 展过程与变形特征的分析,可知当铸钢管与球外侧 倒角范围内的球体全部进入塑性时,节点已出现显 着的局部塑性变形,此时认为节点不再承受荷载,达 到破坏状态.节点从开始屈服到最后破坏的过程中, 具有很强的塑性变形能力,强度储备很高. 第3期林彦,等:铸钢空心球管节点的破坏机理分析与承载力影响因素105 ?一 ?一 ?一 一 ?一 ?一 ?一 ?一 亡3 一 一 一 一 一 一 一 一 口 图3铸钢空心球管节点的塑性区扩展过程(图中使用的力学单位:N,m2) F.3Plastic-zonespreadofcaststeelhollowsphericaljointwithtube(MechanicsunitusedinFi g.3isN/m2) (b)(c) 图4铸钢空心球管节点的变形过程 Fig.4Deformationofcaststeelhollowsphericaljointwithtube 上述节点的受力特性虽然是对受拉节点进行研 究而得到的,但对以受压为主的铸钢球管节点,由于 球壁与铸钢管壁都比较厚,球径与球壁厚的比值小 于35,由文献【3,7】可知,其破坏机理不再象失稳破 坏的焊接空心球节点那样属于壳体稳定问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ,而是 与受拉节点相同,属于强度问题.根据上述对节点破 坏状态的界定,受拉与受压铸钢球管节点的承载能 力以及承载力影响因素应当一致. 1.4节点的荷载一位移曲线 图5为ANSYS计算所得到的铸钢球管节点的荷 载一位移曲线,图中横轴为铸钢管端部沿管轴方向的 位移,纵轴为节点荷载.图5表明节点从开始承受荷 载到最后破坏,主要经过三个阶段:(1)弹性阶段(? 段).该阶段荷载与位移成线性关系,点口所对应的荷 载为弹性极限荷载.(2)弹塑性阶段(段).当作用 在节点上的荷载超过弹性极限荷载后,铸钢管与球相 交处已进入塑性区,产生塑性变形,荷载一位移曲线 不再成线性关系.(3)塑性阶段(6c段).当节点的荷载 超过一定数值后,节点的塑性区有明显的发展,虽然 节点的荷载不再增加,但其变形却逐渐加大,点b所 对应的荷载可作为节点的承载力. 誊 熏 0.61.21.82.43.03.64.24.85.46.06.67.27.8 Displacdment/mm 图5荷载一位移曲线 Fig.5I.oad-displacementcurve 2铸钢空心球管节点的承载力影响 因素 通过对几十种不同规格的铸钢空心球管节点单 向受力状态下的非线性有限元分析,可知在保证材 料质量,铸造工艺及安装质量的前提下,铸钢球管节 点承载力的影响因素主要为:铸钢材质强度,铸钢 傩傩傩?一一一一一一一一一一 傩傩德傍一一,一一一一一一一 ???????? +++++++++斗卿册册册舯m御? 一一—一一—一一口 1O6山东大学(工学版)第36卷 空心球外径D,空心球壁厚t,与球铸造在一起的铸 钢管外径d,铸钢管与球交界处的外侧倒角半径r. 铸钢管的壁厚对节点承载力虽然没有影响,但为了 保证节点在受力过程中铸钢管不先发生破坏,有限 元分析中确定铸钢球管节点的各几何参数时,需考 虑铸钢管的壁厚并对铸钢管的极限承载力进行计 算,以保证破坏顺序.为了了解各几何参数对节点承 载力的影响规律,表1给出了不同几何条件的节点 承载力计算值. 表1铸钢空心球管节点的几何参数和承载力 Tab.1Geonl~cparametersandhlcapacityofcaststeel hollow印IleIicaljomtwithtube 通过对表1计算结果的分析,可得到各参数对 节点承载力的影响规律. 1.铸钢材质设计强度厂的影响 铸钢空心球管节点的承载力与强度厂紧密相 关,随着强度.厂的增加,节点承载力相应提高,而且 两者之间成正比关系,这正符合节点的破坏模式为 强度破坏的论断. 2.铸钢空心球外径D的影响 铸钢空心球管节点的承载力随空心球外径的增 大有降低的趋势,但变化量不大.随着球体直径的增 大,铸钢管与球体相交处的应力分布越不均匀,集中 现象相对严重,因而承载力有所降低. 3.铸钢空心球壁厚t的影响 随着铸钢球壁厚的增加,节点承载力显着增加, 并且两者之间成正比关系.由于铸钢球管节点的破 坏部位发生在铸钢管与球外侧倒角区域的球体截 面,因此随着铸钢球壁厚的增大,其破坏面的面积也 相应增大,从而减少了截面上的应力,使节点承载力 提高. 4.铸钢管外径d的影响 铸钢管外径对节点承载力有明显影响,铸钢管 外径愈大,节点承载力愈高.因为随着铸钢管直径的 增大,铸钢管与球体交接处力的作用面积相应增大, 从而减少了截面上的应力,提高了节点承载力. 5.铸钢管与球外侧倒角半径r的影响 倒角半径的大小对节点承载力有一定影响,随 着倒角半径的增大,节点承载力相应提高.铸钢空心 球管节点最易发生破坏的位置位于铸钢管与球相交 处,由于该处倒角的存在,降低了应力峰值,减缓了 应力集中的程度,并且随着倒角半径的增大,其破坏 面也增大,截面上的应力相应减少,从而提高了节点 的承载力. 3结论 1.铸钢空心球管节点的受力最不利部位位于铸 钢管与球相交处,当铸钢管与球外侧倒角处的大部 分球体进人塑性区,节点已发生显着的局部塑性变 形,认为节点破坏. 2.铸钢空心球管节点由于球壁与铸钢管壁比较 厚,已超出工程中的薄壳范围,因此受压节点的破坏 与受拉节点类同,都属于强度破坏,其承载力影响因 素相同. 3.铸钢空心球管节点的承载力影响因素主要 为:铸钢材质的设计强度厂,空心球外径D,空心球 第3期林彦,等:铸钢空心球管节点的破坏机理分析与承载力影响因素107 壁厚t,与空心球相连的铸钢管外径d,铸钢管与空 心球的外侧倒角半径r. 当D,t,d,r不变时,随厂增大,承载力增大. 当t,d,r.厂不变时,随D增大,承载力降低,但 变化值不明显. 当D,d,r.厂不变时,随t增大,承载力增大. 当D,t,r.厂不变时,随d增大,承载力增大. 当D,t,d,厂不变时,随r增大,承载力增大. 参考文献: [1]林彦,刘锡良.铸钢球节点的特点及在工程中的应用 [A].第十二届全国结构工程学术会议论文集(《工程力 学》增刊)[c].北京:清华大学出版社,2003.637-640. LINYah,LIUXi-liang.Thepropertiesandapplicationinengi- neeringofeaststeelsphericaljointlAJ.r'roceeaingsofthe TwelfthNationalConferenceonSmleturalEngineering,Supple- mentofEngineeri.gMechanicslCj.Beijing:TsinghuaUniver- sityPublishingHouse,2OO3.637-640. [2]林彦,刘锡良.铸钢节点在大跨度空间结构中的应用 [A].第三届全国现代结构工程学术会议论文集(《工业 建筑》增刊)[c].北京:工业建筑杂志社,2OO3.632.640. IJNYan,LIUXi-liang.1laeapplicationofeaststeeljointin lone-spansplteestructurelAJ.r'roceeaingsoftheThirdNation- alColifelt-ellCeonModemStructuralEngineering,Supplementof IndustrialConstructionlCJ.Beijing:IndustrialConstruction MagazineAgency,2003.632?640. [3]姚念亮,董明,杨联萍,钱若军,王人鹏.焊接空心球节点 的承载能力分析[J].建筑结构,2OOO,3O(4):36-38. . YAONian-liang,oor~cMing,YANG~-pi.g,QIANRuo- j1113,WANGRen-peng.Bearingcapacityanalysisofwelded hollowsphericaljoint[J].ArchitectureStructure,2OOO,30 (4):36-38. [4]周学军.网架结构超大直径焊接空心球节点破坏机理及 其承载能力的试验研究[D].天津:天津大学,1996. ZHOUXlle--j1113.Failuremechanismandexperimentalresearch onbearingcapacityofmajor-diameterweldedhollowsplltcal jointforreticulatedstructureslD].Tianjin:n蛳jInUniversity, 1996. [5]沈祖炎,陈扬骥.网架与网壳[M].上海:同济大学出版 社,1997.100-144. SHENZu-yan,CHEN"~ang-ji.ReticulatedStl"~ture8andlat? ricedshellslMJ.Shan~_,TongiiUniversityPIlblishing House,1997.100-144. [6]刘建平,郭彦林,陈国栋.圆管相贯节点极限承载力有限 元分析[J].建筑结构,2OO2,32(7):56-59. LIUJian-ping,GUOYan-lin,CHENGuo-dong.Finite-ele? mentoflimitstre,,gthforcirculartubularjoints[J].Architec? tureStruclure,2OO2,32(7):56-59. [7]JGJ61.2OO3,网壳结构技术规程[s]. JGI61?2OO3,Technicalspecificationforlatticedshells[S]. (编辑:董程英) (上接第59页) 参考文献: [1]青岛市环境保护监测站.青岛市环境监测年鉴[R].青 岛:青岛市环境保护监测站,1986,1987,1988,1989,1990, 1991,1992,1993,1994,1995,1996,1997,1998,1999,2OOO, 20o1. Qi,lg,taoEnvironmentalProtectionMonitoringStation.Qi.g~ environmentalminitoringyearbook[Z].Qingdao..QirlgdaoEn? vironmentalProtectionMonitoringStation,1986,1987,1988, 1989,1990,1991,1992,1993,1994,1995,1996,1997,1998, 1999,2OOO,2001. [2]陈志远,刘志荣.中国酸雨研究[M].北京:中国环境科学 出版社,1997. CHENZhi?yuan,LIUZhi?tong.Chinaacidrainstuay[M]. Beijing-ChinaEnvironmentalSciencePress,1997. [3]涂俊.南京市降水化成分特征及变化趋势[J].上海环境 科学.1999.18(1o):451-453. TUJun.Characteristicsandtrendofchemicalcompositionof precipitationinN~jingCitylJJ.ShanghaiEnvironmentalSci? elite,1999,18(10):451-453. [4]李柱国.浙江省降水酸度和化学特征分析[J].中国环境 科学,1999,19(5):436A.A,9. LIZhu-guo.Analysisoftheacidityandchemicalcharacteristics ofprecipitationinZhejiangProvince[J].ChinaEn~ntal Science.1999.19(5):436-440. [5]齐立文,王文兴.我国低纬度,亚热带地区的降水化学及 其雨水酸化趋势分析[J].环境科学研究,1995,8(1):12. 20. QILi?wen,WANGWen-xing.Precipitationchemistryand trendsofrainwateracidificationatthelowlatitudeand删lh帅p- icsofChina[J].ResearchofEnvironmentalSciences,1995, 8(1):12.20. [6]罗积玉,邢瑛.经济统计分析方法及预测[M].北京:清华 大学出版社.1987. LUOJi?yu,XINGYirIg.Economicstatisticalanalysismethods andforecastlMJ.Beijing:QinghlJlaUniversityPress,1987. [7]赵勇,孙中党,王飞,赵永刚.郑州市大气酸性物质与降水 酸性的相关性分析[J].环境科学研究,2001,14(6):20-23. ZHAOYong,SUNZhong-d~ng,WANGFei,ZHAOYong- gang.1laecorrelationbetweenacidmaterialinatmosphereand precipirationaciditylJJ.ResearchofEnvironmentalSciences, 2001,14(6):20-23. (编辑:董程英)