铝合金网壳结构盘式节点整体刚度与变形性能的有限元分析

目的以南京市牛首山佛顶宫铝合金穹顶工程为背景,取其典型节点研究分析,考察铝合金盘式节点的受力性能、破坏模式、极限承载力.方法通过对铝合金盘式节点足尺模型进行静力加载试验,分析了盘式节点整体刚度与变形的性能;采用ABAQUS有限元软件对盘式节点整体刚度与变形性能进行模拟,并与刚性节点性能进行对比.结果铝合金盘式节点试件PS1在节点盘中心承受集中力,当达到极限荷载破坏后,试验与有限元的破坏现象均表现为上节点盘与工型杆件3连接处的节点盘断裂;上节点盘的应力较大,出现明显的马鞍式变形.结论试件PS1的有限元与试验的荷载位移曲线有比较好的吻合;试件PS1的箱型杆件和工型杆件与刚性节点对应杆件相比具有较高的刚度.     

铝合金箱形-工字形盘式节点整体变形性能试验研究

铝合金网壳结构在大跨空间结构中具有广泛的应用前景.南京牛首山佛顶宫大穹顶工程中采用了铝合金网壳结构,其节点包含两种截面杆件,均使用不锈钢环槽铆钉与节点盘进行紧固连接,形成了特殊形式的箱形-工字形盘式节点.为研究铝合金箱形-工字形盘式节点在面外弯矩作用下的传力机理、变形性能、节点刚度、破坏模式和极限承载力,开展了箱形-工字形盘式节点整体试件的静力加载试验,使用有限元软件ABAQUS对试验加载全过程进行了数值模拟,并将试验结果与相同截面铝合金箱形-工字形盘式节点相连对肢节点的试验结果进行对比分析.试验结果表明:南京牛首山佛顶宫大穹顶工程中采用的铝合金箱形-工字形盘式节点为半刚性节点,节点刚度较大,整体延性相对较小;在较大面外弯矩作用下构件的上节点盘发生屈曲变形,试件加载破坏时下节点盘仍处于弹性阶段,杆件连接部位腹板出现明显屈曲变形,杆件与上节点盘连接处发生断裂破坏.足尺有限元模型的数值模拟结果与试验结果吻合较好,具有工程应用可靠性.与相同截面的铝合金箱形-工字形盘式节点相连对肢节点试验结果相比,铝合金箱形-工字形盘式节点6根连接杆件之间的相互作用提高了节点刚度,但在一定程度上降低了节点的延性和抗弯承载力,在设计和使用过程中需进一步加强和改进.     

铝合金网壳结构盘式节点受力性能有限元分析

本文以铝合金盘式节点试件受跨中集中荷载作用的静力加载试验数据为基础,利用ABAQUS对3种不同尺寸的铝合金盘式节点进行了非线性有限元数值分析,并对盘式节点与刚性节点的受力性能进行了对比.分析表明:节点受跨中集中荷载作用时,作用在节点盘上的力通过螺栓群的作用传递给杆件,试件对向工字型杆件上、下翼缘最后排螺栓孔处及与之相接的腹板底部先形成塑性区,杆件下翼缘螺栓孔处由于开孔削弱截面,发生显著塑性变形而被拉断,节点破坏模式与实际试验破坏模式相同;节点强度达理想刚性节点的80.68%~86.42%,刚度达理想刚性节点的60.10%~67.73%,应力分布相似.基于上述静力试验和有限元分析结果,铝合金盘式节点在工程设计和计算中可作为半刚性节点,具有足够的工程强度和刚度.     

基于纯弯状态的焊接空心球节点抗弯刚度

为研究弦支穹顶等空间结构中焊接空心球节点的抗弯刚度,根据弦支穹顶工程中常用焊接空心球和钢管规格调研结果,结合规范要求,采用正交设计法设计了18个节点试件,试验研究了纯弯受力状态下焊接空心球节点的名义抗弯刚度;采用线性强化应力-应变关系,同时考虑几何非线性的影响,利用弧长法追踪弯矩-转角曲线,对承受纯弯作用的空心球节点抗弯刚度进行有限元分析;基于有限元分析和试验研究的结果,得到较精确的节点抗弯刚度计算公式,为进一步考虑节点刚度影响的空间网格结构的力学性能和失效机理研究提供参考.     

铝合金板式节点受弯滞回性能试验研究

为研究铝合金板式节点的受弯滞回性能,并与静力性能进行比较,完成了4个足尺试件的滞回加载及单调加载试验,并采用通用有限元软件ABAQUS对试验加载全过程进行数值模拟,得到了铝合金板式节点的破坏模式、弯矩-转角关系及耗能能力.采用分配梁对两杆进行对称加载,节点域为纯弯段.研究结果表明铝合金板式节点为典型半刚性节点,根据受力过程可分为弹性阶段、螺栓滑移阶段、孔壁承压阶段和破坏阶段,并得到节点弯矩-转角关系曲线.节点破坏模式为杆件净截面拉断,裂缝由杆件端头最外排螺孔处开始扩展.节点在破坏前无明显预兆,为典型脆性破坏,荷载-位移曲线没有下降段.节点滞回加载的骨架曲线与单调加载曲线接近,但滞回加载过程节点的累积损伤,导致节点延性低于单调加载.增加螺栓数量可改善节点耗能性能,使滞回曲线更加饱满.     

斜交网格结构钢管混凝土平面相贯节点的性能研究

为验证斜交网格钢管混凝土平面相贯节点的构造合理性和受力可靠性,设计了4个平面相贯节点试件,采用ABAQUAS有限元分析软件对节点构造、斜交角度和加载方式等的研究参数进行研究分析.结果表明:有限元模拟与试验研究在荷载—位移骨架曲线、荷载—应变曲线和承载力等方面具有较强的一致性,说明斜交网格钢管混凝土平面相贯节点的构造具有较好的合理性和较强的承载能力,可以应用到实际工程中.另外,不管是采用对称加载方式还是采用非对称加载方式,有限元模拟与试验结果比较接近,说明加载方式对试件受力和破坏影响不大.     

贯通隔板全螺栓节点抗连续倒塌分析

以钢管混凝土隔板贯通式全螺栓节点为研究对象,设计了一个三柱两跨式平面框架结构,采用静力加载的方式模拟结构倒塌的全过程,考察节点的受力变形、抗力机制、破坏现象和应变发展.建立ABAQUS有限元模型对结构失效模式进行受力分析.试验和有限元结果表明,倒塌全过程经历4个阶段:梁机制、混合作用、悬线作用和破坏.结构的抗倒塌能力取决于抗弯和抗拉能力,设计节点可以满足FEMA-365的转角要求,结构中的悬线作用出现在破坏阶段前.构件破坏发生在中节点H型梁下翼缘处,孔壁撕裂导致裂缝延伸至腹板使H型梁出现断裂.由于螺栓孔对翼缘的削弱,建议对螺栓连接H型钢翼缘进行构造加强,以保证连接的有效性.     

铝合金板式节点初始刚度

铝合金板式节点变形分为节点板中心区域变形、节点板与杆件错动以及杆件自身变形三部分.对铝合金板式节点的受弯机理进行分析,得到节点初始弯曲刚度公式.在试验基础上,分析试件的抗弯性能,得到弯矩-转角曲线.采用ABAQUES软件对节点进行数值模拟,数值结果与试验结果吻合较好.通过参数分析得知节点板厚度、杆件截面高度、螺栓数量及节点板半径对节点初始弯曲刚度的影响.最后将理论结果分别与数值结果和试验结果进行比较,验证了公式的合理性.     

装配式剪力墙竖向焊接节点抗剪性能

为了对装配式剪力墙结构节点干式连接方案进行研究,在已有研究成果新型预制复合墙板体系的基础上提出了采用焊接连接的装配式剪力墙干式节点方案,并通过两批共5个焊接节点试件的单调静力加载试验来考察竖向节点的抗剪性能和变形能力.试验表明,节点试件具有较好的抗剪性能和变形能力;试件破坏始于节点周围区混凝土出现裂缝,终于连接钢板和锚筋剪断致使节点试件失去承载能力.在此基础上通过ABAQUS有限元分析软件对节点试件受力过程进行了模拟,并对各种材料参数进行了详细比较和分析.通过比较可知该类节点抗剪性能和变形能力主要由连接钢板、锚筋抗剪承载力和节点周围区混凝土抗压承载力决定,纵筋、箍筋、预埋钢板等材料参数变化对节点试件影响不大.最终,得到了竖向节点焊接连接方案可用于装配式剪力墙结构节点连接之中的结论.     

铝合金板式节点受弯承载力试验研究

从理论上提出了铝合金板式节点在面外弯矩作用下的抗弯承载力计算公式.进行了4个铝合金板式节点试件试验,其中3个试件只承受面外弯矩,一个试件同时承受面外弯矩和剪力,得到了板式节点的受力性能,归纳了板式节点在面外弯矩作用下和弯剪联合作用下的破坏模式主要为:杆件受弯破坏、节点板块状拉剪破坏和节点板的屈曲破坏.通过试验数据分析,得出了反应撬力对其极限承载力影响的折减系数k1的取值范围,并验证了承载力计算公式的准确性.针对4个板式节点试件的试验,采用ABAQUS有限元软件建立了有限元数值分析模型,分析了其极限承载力,补充和完善了试验研究.     

钢管结构法兰连接节点抗弯承载性能的试验研究

研究了钢管结构法兰连接节点的抗弯承载性能.通过试验方法,采用螺栓应变测量装置,对含4种基本形式的法兰连接节点的试件进行四点弯加载试验,考察了在节点受弯过程中螺栓和法兰板的受力特性.试验得到了其屈服荷载与极限荷载,并且与相应的有限元分析结果吻合良好.试验结果表明,法兰连接节点的受拉区存在明显的撬力作用,刚性法兰连接节点的...     

巨型框架节点的非线性有限元分析

建立了钢筋混凝土巨型框架节点的非线性有限元分析模型.根据节点的特点,采用整体式钢筋混凝土有限元模式.混凝土本构关系采用增量式Darwin-Pecknold模型,受拉和受压均考虑下降段,完善了双向受力下混凝土强度和峰值应变的计算公式;钢筋的本构关系考虑了混凝土加劲效应和混凝土开裂后钢筋的变形特点;采用分布式裂缝模型;采用增量法和切线刚度迭代法混合策略求解非线性方程组.对3个巨型框架节点试件进行了计算分析,计算挠度曲线和钢筋应变曲线与试验曲线吻合很好,计算的变形模式同试件破坏形态一致.非线性有限元分析从理论上进一步揭示了巨型框架节点的受力性能及其影响因素.     

压板加固全隐框玻璃幕墙面板的受弯承载力试验及有限元分析

为了研究铝合金压板对既有全隐框玻璃幕墙面板的加固效果,通过堆载法研究了7块由单层钢化玻璃制成的全隐框玻璃幕墙面板的受弯承载力。结果表明:全隐框玻璃幕墙面板无论是否进行加固,其抗弯刚度在加载过程中均由小变大。采用压板在全隐框玻璃幕墙面板长边通长布置的加固方法,可以有效提高全隐框玻璃幕墙面板的受弯承载能力和抗弯刚度。运用ANSYS有限元软件对试验模型的受力性能进行数值模拟,发现全隐框玻璃幕墙面板的抗弯刚度会随着长宽比的增大而减小,且加固前长宽比对抗弯刚度的影响比较大。加固后的有限元模拟结果,与反向受荷时的全隐框玻璃幕墙面板试件较为吻合。试验结果还表明:现行国家规范关于全隐框玻璃幕墙面板位移的计算值远大于试验值,计算偏于保守。     

混凝土冲击拉伸力学性能及裂纹扩展试验研究和数值模拟

为真实反映混凝土材料劈裂拉伸力学性能,基于应变片法采用分离式霍普金森压杆对混凝土平台巴西圆盘试件进行了劈裂拉伸试验,研究了不同加载角对试件起裂方式及破坏模式的影响,并对试件破坏过程进行了扩展有限元模拟,同时与试验结果进行了对比分析,得到用于测试混凝土拉伸力学性能的最优加载角.基于此得到动态劈拉下3种不同强度混凝土的劈裂拉伸应力-径向应变曲线及抗拉强度、极限应变、拉伸敏感系数等参数的应变率效应.结果表明:20°加载角可以保证圆盘在中心起裂,用于测试混凝土劈裂拉伸性能最为可靠.在高应变率下,混凝土动态力学参数均具有明显的应变率效应,裂纹沿试件受力方向扩展、贯通直至试件沿加载直径方向劈裂为两半,破坏面表现为骨料破坏,与数值模拟结果一致.     

钢-混凝土组合脊骨梁极限承载力试验研究

通过全过程加载试验和空间有限元分析,探讨了带波形钢腹板悬臂挑梁的组合脊骨梁在单调荷载作用下的受力全过程、破坏模式、变形特征、抗弯承载力和极限状态,并确定其主要受力的特征值;根据试验现象、荷载-位移(应变)关系、混凝土板剪力滞效应的分析,总结出组合脊骨梁正、负弯矩截面在材料屈服前、后的受力特点和变形特征;在此基础上推导出组合脊骨梁的抗弯承载力计算公式,公式计算结果与试验结果吻合较好.     

X型圆钢管相贯节点刚度试验

为了验算相贯节点刚度对钢管结构的受力性能及整体稳定性的影响,以某单层网壳结构体育馆为背景,进行了X形相贯节点轴向刚度和抗弯刚度的试验研究.文中介绍了试验方案和主要试验结果,对试件的破坏机理进行了分析.试验结果表明,当支管与主管直径相差较多时,节点轴向刚度和抗弯刚度均较弱,节点的半刚性能对结构的受力性能尤其是整体稳定性的影响不容忽视;当支管与主管直径接近时,节点轴向刚度和抗弯刚度均较大,基本能够满足节,最刚接的要求.     

白卡纸格栅拱架承载力试验

目的研究格栅拱架的极限承载力及其破坏形态.方法笔者以竞赛用巴西白卡纸为材料,建立缩尺直墙拱结构形式的格栅拱架进行承载力试验.分别从理论计算、有限元模拟和分级静力加载试验三方面研究该形式格栅拱架的承载性能.结果静力加载的试验结果与数值模拟效果较为吻合,破坏位置与破坏形式一致,均发生在拱顶两侧支撑和拱架的横撑部位.分级加载过程中,前三级试件变形和砂土沉降变化较小,第四级加载出现严重破坏,得出承载力为2 700 N.模拟其他尺寸试件进行对比分析可得,改变直径和厚度对试件影响较小,变形量在10%以内.结论栅拱架模型极限承载力和破坏形态可为结构优化与局部加固提供参照.同时格栅拱架承载能力高,且耗材少,结构自重小,有效达到了节约资源的效果.     

考虑楼板组合作用的钢管混凝土柱-钢梁节点抗震性能研究

为研究在楼板组合作用下钢管混凝土节点的抗震性能,本文按照1:2比例制作了两个不同梁柱线刚度比的带楼板钢管混凝土柱钢梁节点试件。试验利用MTS液压加载系统对节点梁端施加循环往复荷载进行拟静力试验,并利用ABAQUS软件建立有限元模型进行数值模拟分析。通过试验与有限元模拟,得到了节点的滞回曲线、骨架曲线、延性系数、强度退化和刚度退化等性能参数。结果表明：两个节点试件在楼板组合作用下,滞回曲线饱满,节点表现出良好的抗震性能;在轴压比不变的情况下,随着梁柱线刚度比的增加,节点的延性、强度和刚度均有所提高;有限元模拟结果与试验结果吻合较好,验证了有限元模型的准确性,为参数分析提供了依据。     

再生混凝土框架边节点抗震性能试验研究

通过2榀再生混凝土框架边节点试件在低周反复荷载作用下的试验,了解了再生混凝土框架边节点核心区剪切破坏和梁端弯曲破坏形态;得到反复荷载作用下节点核心区箍筋和梁端纵筋荷载-应变滞回曲线,以及核心区箍筋应力随荷载变化规律,运用ABAQUS软件建立了节点有限元模型,采用正反向单调加载的方法近似模拟试件的受力状况,2榀试件的混凝土以及钢筋应力数值计算结果与试验实测结果吻合较好,梁端极限荷载计算值与试验值相差在1.3％～10.3％之间.     

钢框架顶底角钢带腹板双角钢连接的试验研究

通过钢框架顶底角钢带双腹板顶底角钢半刚性连接类型共五个原型试件在循环荷载作用下的拟静力试验，得到了各个试件M-θr滞回曲线及骨架曲线，从而间接得到了各类连接的抗震性能，分析了各类连接的能量耗散机制．在试验中，还记录了梁柱连接中重点部位的应变情况、节点域的变形情况以及柱节点域加劲板的变形情况．分析了每种类型的破坏机制及破坏原因．研究结果表明顶底角钢带双腹板顶底角钢半刚性连接在计算此类连接的连接刚度和抗弯承载力时应考虑双腹板角钢的影响．