铝合金板式节点网壳杆件壳体平面内计算长度分析

为获得铝合金板式节点网壳杆件的平面内计算长度,对5根网壳杆件进行轴心受压稳定承载性能试验。采用ABAQUS中的实体单元建立试件的有限元模型,通过反弯点法得出了杆件的计算长度。研究结果表明,铝合金板式节点的半刚性构造使得网壳杆件的平面内计算长度与其净长度有关。基于ANSYS软件平台,采用非线性弹簧单元COMBIN39建立了考虑铝合金板式节点半刚性的网壳模型。通过对不同荷载模式下网壳一阶屈曲荷载及杆件临界荷载的对比,发现压杆周围杆件受压时的刚度退化对其约束的削弱作用可使其计算长度系数放大约33%,因此杆件的受压刚度退化在稳定分析中不可忽略。通过对杆端约束刚度的推导和弹性稳定微分方程的求解,得到了考虑铝合金板式节点半刚性和周围杆件约束的网壳杆件平面内计算长度系数,并制成了供设计使用的计算用表,可为铝合金板式节点网壳杆件的设计提供依据。     

铝合金板式节点刚度对网壳稳定性能影响研究

铝合金板式节点网壳是一种典型的半刚性节点网壳。采用ANSYS有限元软件对铝合金板式节点网壳弹塑性稳定性能进行了有限元分析。建立了考虑节点刚度的杆件单元模型。采用Combin39单元对节点非线性弯曲刚度进行模拟。分析了节点刚度对网壳失稳模态、应力分布和极限承载力的影响。研究发现,节点的非线性弯曲刚度对网壳整体稳定性能具有削弱作用,其削弱作用随着网壳矢跨比的减小而加大。最后,为了了解节点刚度四折线模型中各参数对网壳稳定性能的影响而进行了参数分析。研究表明,网壳极限承载力随着滑移弯矩和嵌固刚度的减小而降低,而其它节点刚度参数的影响可以忽略。     

K6型铝合金板式节点网壳稳定承载力设计方法

凯威特K6型是铝合金板式节点网壳最为常见的形式,而板式节点是一种典型的半刚性节点,其节点刚度对网壳整体稳定承载力的影响不可忽略。通过ANSYS有限元软件建立了K6型铝合金板式节点单层球面网壳数值模型,采用非线性弹簧单元COMBINE 39引入节点半刚性的影响,并基于该数值模型对网壳的弹塑性整体稳定承载力进行了参数分析。分析结果显示,网壳整体稳定承载力随矢跨比、环数、节点刚度的增大而提高,随跨厚比、半跨活荷载系数、初始几何缺陷幅值的增大和材料非线性的引入而降低。通过对8000多个数值模型的分析结果进行统计回归,得到了K6型铝合金板式节点网壳弹塑性整体稳定承载力计算式,该计算式能较准确地预估无缺陷网壳的稳定承载力。     

北京新机场装配式单层铝合金网壳结构整体稳定性能研究

以北京新机场装配式单层铝合金网壳结构作为研究对象,建立了其装配式节点——板式节点及考虑节点性能的单层铝合金网壳的有限元模型,分析了板式节点的力学性能及节点性能对单层铝合金网壳稳定性能的影响。研究表明：板式节点刚度良好,破坏表现为不锈钢拉铆钉剪切破坏、连接板拉剪破坏和杆件在螺栓孔处承压破坏;北京新机场装配式单层铝合金网壳结构的整体稳定性能良好,承载力约为刚接网壳结构的90%,满足JGJ 7—2010《空间网格结构技术规程》的要求;由于铝合金材料无明显的屈服台阶,弹性模量较小,考虑几何非线性和材料非线性的稳定承载力比仅考虑几何非线性的稳定承载力降低约30%,结构发生弹塑性失稳,结构失稳形态表现为网壳结构在靠近长轴右端出现凹陷。     

南京牛首山佛顶宫大穹顶铝合金板式节点试验研究及有限元分析

南京牛首山佛顶宫大穹顶为单层铝合金单层网壳,采用铝合金板式节点连接。为直观了解节点受力性能和破坏机理,对杆件高度为550mm的足尺铝合金网格单元试件进行试验研究。结果表明,节点符合"强节点弱构件"的基本要求。在试验的基础上,采用ABAQUS及ANSYS软件对铝合金板式节点及铝合金网格单元进行有限元分析,有限元分析结果和试验现象基本一致,验证了有限元模型的合理性与有效性。试验与有限元模拟的对比分析结果表明,本项目采用的铝合金板式节点在设计荷载作用下是安全和可靠的。     

双曲面网壳半刚性节点试验及弹塑性屈曲分析

为研究X形节点刚度对网壳结构弹塑性屈曲性能的影响。本文以广东移动南方基地大型双曲面单层网壳结构为背景,对4组X形节点进行平面内、外的弯曲刚度试验和有限元模拟,得到X形节点各杆件的弯矩–转角曲线,进而计算出节点各杆件的名义转动刚度值。结果表明:支座约束情况对节点转动刚度影响较大;平面外荷载下,节点转动刚度大,可按刚接处理;平面内荷载下,节点半刚性不容忽视。基于试验结果,考虑结构安装缺陷,采用MATRIX27单元对网壳节点刚度进行模拟,得到结构倒塌破坏全过程的荷载–位移特性,并对网壳节点在不同转动刚度下的极限承载力进行了对比分析。结果表明:X形节点转动刚度减小,网壳结构极限承载力降低;安装缺陷增大,网壳稳定性减弱。     

铝合金网壳箱形-工字形杆件盘式节点受力性能试验研究

为研究铝合金网壳箱形、工字形截面杆件盘式连接节点(又称TEMCOR节点、板式节点)的受力性能,对南京牛首山佛顶宫工程典型铝合金盘式节点足尺试件进行了静力加载试验,采用通用有限元程序ABAQUS对加载过程进行全过程数值模拟。在进行静力加载试验时,铝合金杆件端部采用铰接,在节点盘中心区域设置加载板进行竖向加载。研究结果表明：在节点盘中心竖向荷载作用下试件发生脆性破坏。对向两杆为箱形截面（试件JD1）时,箱形截面杆件下翼缘发生断裂,上下节点盘屈曲,且与断面相邻的螺栓被拉断;对向杆件为工字形截面（试件JD2）时,下节点盘发生块状撕裂,破坏时铝合金型材及螺栓均无屈曲和破坏。在极限荷载作用下,试件JD1杆件腹板及节点盘仍处于弹性工作状态,箱形截面中性轴位于截面中间;试件JD2铝合金型材处于弹性工作状态,工字形截面中性轴位于截面强轴以下1/6腹板高度处,下节点盘在α=60°及α=180°方向应力较大,接近屈服强度。试件JD1的极限荷载和初始刚度均约为试件JD2的1.5倍。根据对称性建立的节点试件数值模型分析所得的局部应力、荷载-位移曲线及弯矩-转角曲线与试验结果吻合较好,可以用于此类节点的数值模拟。     

高温下铝合金板式节点平面外受弯承载力试验研究

为研究铝合金板式节点的高温承载性能,采用特制的异型高温试验炉,完成了3组共计9个铝合金板式节点的高温下平面外受弯承载力试验。试验中采用恒温加载方案,在杆件上施加横向荷载以对节点施加平面外弯矩。通过试验得到了铝合金板式节点在不同温度下的破坏模式、极限荷载和弯矩-转角曲线。试验结果表明:铝合金板式节点在高温下的破坏模式与常温下一致;对于薄板节点,其破坏模式为节点板块状拉剪破坏和受压局部屈曲破坏;对于厚板节点,其破坏模式为杆件弯扭失稳。基于试验结果,得到了铝合金板式节点高温下的极限荷载的折减系数,以及高温下的初始刚度折减系数。采用ABAQUS有限元软件对试件进行了数值模拟,并与试验结果进行对比,验证了有限元模型的可靠性。研究结果表明,当节点板厚度较大时,节点域在300℃以下不会发生破坏。在300℃以下时,铝合金板式节点的块状拉剪破坏和中心区屈曲承载力折减系数可取铝合金材料名义屈服强度的高温折减系数;铝合金板式节点的初始刚度可偏安全取为常温初始刚度。     

木网壳钢板群栓节点轴向滑移刚度试验与理论研究

作为大跨木网壳常见节点之一的钢板群栓节点,在轴向力作用下极易发生滑移变形,对整体网壳的力学性能产生不可忽略的影响。为研究不同参数对钢板群栓节点轴向滑移刚度的影响,对13组,考虑螺栓直径、数量、行距、列距以及材质等级等变化参数的钢填板-螺栓节点开展了单调加载试验研究,得到不同参数节点的轴向滑移刚度及变化规律,基于单栓的半无限体地基梁理论以及群栓弹簧模型建立了节点初始滑移刚度的理论公式。分析结果表明,节点轴向滑移刚度随螺栓直径的增大以及螺栓数量的增加,总体呈现非线性的增加趋势;螺栓列距、螺栓材性对轴向刚度影响的规律性不明显。采用弹性地基梁理论分析的节点刚度与试验结果吻合度较好,可作为木网壳群栓节点轴向滑移刚度的预测分析方法。     

铝合金网壳结构中新型铸铝节点受力性能试验研究

为研究某植物园铝合金网壳结构中新型铸铝节点的受力性能,进行了3个足尺节点试件的加载试验,考察了3种典型受力情况下铸铝节点的受力性能和破坏机理。试验结果表明,该铸铝节点平面外的抗弯刚度较大,但平面内的刚度较小,且属于半刚性连接节点;螺栓孔处截面是节点的薄弱部位;铸铝节点本身的破坏形式为脆性断裂破坏,延性较差,节点破坏前无明显征兆。同时,还对该铸铝节点在上述3种荷载作用下的受力性能进行有限元分析,并与试验结果进行对比。结果表明,有限元与实测结果吻合较好,验证了有限元模型的准确性和可靠性;同时,有限元结果给出了节点在荷载作用下的应力整体分布状况及随加载过程的变化趋势。基于试验和有限元分析结果,建议在铸铝节点设计中考虑采用合适的安全系数,避免突然破坏。     

单层球面网壳火灾爆炸动力响应

以K8型单层球面网壳为研究对象,考虑几何非线性和温度对材料性能的影响,完整模拟了单层球面网壳在发生火灾的不同阶段受到爆炸冲击作用时的动力性状。据B-R准则,通过爆炸峰值超压与结构动力特征响应之间的关系,可判定K8型单层球面网壳在不同火灾阶段,爆炸冲击作用下的动力稳定性临界峰值超压。分析了单层球面网壳的矢跨比、屋面荷载、约束布置等参数对其在不同火灾阶段的爆炸冲击动力稳定性的影响。研究表明:火灾对网壳结构在爆炸冲击作用下的动力稳定性有较大影响,当网壳杆件最高温度达500℃以上时,结构的抗爆能力明显降低。矢跨比、屋面质量、约束布置对网壳在火灾不同阶段的抗爆能力均有不同程度的影响。     

铝合金板式节点平面外受弯滞回性能试验研究

为研究节点板厚度、节点板材质、是否设置抗剪键以及加载模式对铝合金板式节点滞回性能的影响,完成了4组共计8个试件平面外受弯的拟静力试验,对其变形特征、破坏模式、承载能力、延性以及耗能能力等进行了分析。结果表明：板式节点在平面外往复弯矩作用下的受力过程可以分为5个阶段,即弹性阶段、螺栓滑移阶段、孔壁承压阶段、承载力退化阶段和破坏阶段;通过破坏后试件的形态特征可归纳出节点的两种破坏模式分别为杆件破坏和节点板块状拉剪破坏,且破坏模式与节点板厚度和杆件翼缘厚度密切相关;由于螺栓滑移的影响,节点的滞回曲线不够饱满;综合对比试件的骨架曲线、位移延性系数和能量耗散系数,节点板较厚的铝合金板式节点具有更好的承载能力、变形能力和耗能能力。     

Elasto-plastic stability of single-layer reticulated domes with initial curvature of members

Initial curvature of members is an inevitable geometrical imperfection for reticulated domes. To investigate the stability of single-layer domes with initial curvature of members, the multi-beam method was presented to simulate the initial curvature of members, and two modeling methods were adopted to introduce the initial curvature of members for reticulated domes by means of ANSYS. First, the random imperfection mode method was introduced according to the randomness of initial curvature of members. The example of a Kiewitt-8 dome was used to explain the method and investigate the influence of angle and amplitude random variables on the stability of reticulated domes. Second, the modified consistent imperfection mode method was obtained, which was an efficient method to evaluate the lowest buckling load of the structure with initial curvature of members. Based on this method, the Kiewitt-6 and Kiewitt-8 single-layer reticulated domes were taken as examples to analyze the stability of structures with initial curvature of members, and the influences of initial curvature of members on the ideal structure and the structure with nodes deviation were obtained quantitatively. The results show that, for the ideal structure and the structure with nodes deviation, initial curvature of members can decrease the buckling load of the structure obviously. Initial curvature of members can change the buckling mode and plasticity development of the structure. The influence of initial curvature of members on the elasto-plastic stability of single-layer reticulated domes cannot be neglected.     

下部支承结构对网壳结构强震响应的影响研究

总结了关于考虑下部支承影响的网壳结构强震失效研究的最新研究成果。介绍了基于响应的荷载域全过程分析方法;通过建立精细化的数值模型,对考虑下部支承结构的单层球面网壳在强震作用下的特征响应进行了分析,得到了考虑下部支承结构的单层球面网壳在强震作用下的失效特征;通过大规模参数分析,详细地阐述了下部支承结构对网壳结构失效极限荷载的影响;提出了对于耦合体系的简化分析方法并初步研究了非线性下部支承结构对网壳结构失效的影响;讨论了下部支承结构非线性对网壳结构响应的影响。研究表明,非线性材料的支承结构也将明显改变耦合体系的响应规律及失效模式。     

基于构形易损性理论的温室单层球面网壳极限承载力分析

温室单层球面网壳的稳定性在设计中起着控制作用,尤其是非对称(半跨均匀)荷载、初始几何缺陷(节点偏差)、矢跨比和拉索预应力等因素对温室单层球面网壳稳定性的影响还有待深入研究。基于构形易损性理论,提出了判断参数对极限承载力影响的指标,即节点构形度的差异系数。利用ANSYS软件对矢跨比分别为1/3、1/5和1/7的K6、K8型温室单层球面网壳进行了整体刚度矩阵的提取,并通过MATLAB自编程序计算得到节点构形度的差异系数,定性分析了各参数对极限承载力的影响与节点构形度的差异系数的关系。研究表明:判定初始几何缺陷和不对称荷载对温室单层网壳结构极限承载力影响的准则是节点构形度的差异系数越小,结构的极限承载力越大;通过对K6型和K8型温室单层球面网壳的稳定承载力进行计算,验证了提出的判别准则的适用性与合理性。提出的判别准则可推广至其他类型的大跨度温室空间结构中。     

Effect of BRBs on the seismic resistance of single-layer reticulated domes

This paper considers the seismic resistance of buckling restrained braces (BRB) in single-layer reticulated domes and their substructures. The method of tracing the full-range dynamic response is used to analyze the seismic response of dome structures with different embedded braces. Based on results relating to critical responses, such as displacement, development of plastic deformation and ultimate load, the effect of BRBs on key design parameters, including core area, yield stress, installing forms etc., is examined. The effect of a dome’s rise-span ratio on the structure is also investigated. It is concluded that BRBs between supporting columns can effectively improve a structure’s seismic performance.     

节点刚度对三向单层球面网壳稳定承载力的影响

为了评估节点刚度对网壳极限承载能力的影响,建立了一种能同时考虑节点刚度(弯曲刚度、轴向刚度、扭转刚度与剪切刚度)和节点大小的力学模型.借鉴节点正则化弯曲刚度指标κb的概念,建议采用正则化轴向刚度κa、正则化扭转刚度κt与正则化剪切刚度κs来衡量节点的轴向、扭转及剪切刚度.经过数值计算,主要得出如下结论:节点弯曲刚度对网壳承载能力的影响程度与κb的大小紧密相关,随着κb的减小,网壳极限荷载逐渐降低,若κb小于10,网壳极限荷载会显著降低;节点轴向刚度明显影响着网壳的整体刚度,随着κa的减小,在弹性阶段内荷载位移曲线斜率明显减小;节点扭转刚度对网壳极限荷载影响与节点抗弯刚度有关,随着节点抗弯刚度的减小,扭转刚度的影响逐渐增加;节点剪切刚度对网壳极限荷载的影响程度也与κb紧密相关,当κb大于10时,随着κs的降低,极限荷载首先缓慢降低而后迅速下降;节点大小对具有较大节点弯曲刚度的网壳的极限荷载影响更加明显;节点偏差对半刚接网壳的承载能力影响显著,整体上而言,节点弯曲刚度越小,节点偏差的影响越大.