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    节点刚度对含有缺陷杆件网架稳定性的影响

    日期:2020-09-10

        传统网架结构的设计与研究中,常假定节点为理想铰接(螺栓球)或刚接(焊接球),而实际上节点具有一定的变形能力,属于半刚性连接。为了厘清节点刚度对网架承载能力的影响,提出了一种含有缺陷杆件的半刚接网架力学模型。参考正则化弯曲刚度的概念,建议采用正则化轴向刚度κa、正则化剪切刚度κs和正则化扭转刚度κt等指标来度量节点各类刚度的大小。对1,300例网架进行了双重非线性分析,系统地研究了节点各类刚度及节点大小对网架稳定承载能力的影响程度与规律。主要得出以下结论:节点轴向刚度直接决定了网架的整体刚度及稳定承载能力。当κa大于0.1时,节点轴向刚度对网架整体刚度及极限荷载的影响很小,而当κa小于0.1时,二者大小则显著降低;对于承载能力由受拉杆件控制的网架来说,节点弯曲刚度对网架稳定承载能力的影响不明显,但当弯曲刚度过小时,节点会发生转动,使得极限荷载显著降低;节点剪切刚度对网架稳定承载能力的影响不明显,仅当κs小于0.005时,网架的极限荷载才显著降低;节点扭转刚度与节点大小对该网架稳定承载能力的影响不明显。

       网架结构因受力性能合理、自重轻、跨越能力强、造型多样和抗震性能优越等优点,而被广泛应用于体育馆、展览馆与候机厅等大型公共建筑当中
    [1]。网架结构常采用螺栓球与焊接球等节点形式连接杆件,在该类结构的设计与研究中,常将二者分别简化为铰接节点与刚性节点,而实际上二者均属于半刚性节点,这种简化方式必然会造成杆件的受力状态与实际情况不符。与焊接球网架相比,螺栓球网架的应用更为广泛,在设计与分析中,网架中的杆件采用二力杆单元模拟,该种单元无法考虑杆件的失稳问题,也无法考虑节点刚度对杆件内力及结构整体稳定承载能力的影响。

    近年来,针对空间网格结构中节点刚度的研究取得了不少成果[2]。马会环等[3]对半刚性Socket节点的受力性能进行了试验研究,提出了节点的弯矩-转角力学模型。童乐为等[4]通过试验手段研究了网架结构中大直径螺栓球节点的力学性能,发现钢管锥头是该类节点的薄弱环节,螺栓球节点壁厚过小、材料强度偏低等是锥头强度不足的主要原因。FAN等[5]根据节点的刚度及其抗弯能力提出了一种节点分类方法,通过这2个指标确定了刚性连接、半刚性连接与铰接的界限。XIONG等[6-7]研究了铝合金节点单层球面K6型网壳的失稳模式、杆件的内力分布及节点中的应力分布和节点刚度,并通过参数化分析方法探讨了节点弯曲刚度对网壳屈曲性能的影响程度。

    在实际的网架结构中存在多种缺陷,如结构初始安装应力、杆件缺陷及杆件对节点的初偏心等,各种缺陷均会影响网架结构的稳定承载能力。空间网格结构中的杆件在加工、运输、安装及使用过程中,会产生一定程度的弯曲。近年来,一些学者研究了杆件缺陷对球面网壳稳定性的影响[8-9],但尚缺乏关于杆件缺陷对网架结构稳定性影响方面的研究。 

    基于此,提出了一种能考虑杆件缺陷的半刚接网架力学模型,该模型可考虑网架中的各类节点刚度及杆件缺陷问题;参考正则化弯曲刚度的概念,建议采用正则化轴向刚度、正则化剪切刚度与正则化扭转刚度等指标来度量节点刚度的大小,系统地研究了上述4种节点刚度及节点大小对网架稳定承载能力的影响程度与规律。

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