焊接空心球节点承载力分析论文（word15）

1、焊接空心球节点承载力分析引言空间网格结结构是由由杆件通通过节点点相连接接而成的的结构系系统，节节点是结结构系统统中重要要的受力力构件，离离散的杆杆件通过过节点集集成为一一个结构构系统，所所以在空空间网格格结构系系统中,节点的的构造设设计和强强度都是是十分重重要的。在空间网格结构中用于构件间连接的典型节点有两种类型：相贯节点和节点体。相贯节点是指杆件与杆件直接相交，而不是通过节点；节点体是指各杆件通过一个节点相交，该节点是独立的构件，如图1所示1。图1 各种种典型节节点现在应用于于大跨空空间结构构中，适适合中国国国情且且在工程上上应用广广泛的主要有有两种节节点体形式：螺栓球球节点和和焊接空空心球

2、节节点。前前者是770年代代从德国国MEMMO引进进的，最最早由内内蒙古铁铁路局设设计室研研制成功功并应用用于内蒙蒙古呼和和浩特铁铁路局俱俱乐部2，属属于“洋洋为中用用”类型型；而后后者焊接接空心球球节点是是19664-119666年间由由刘锡良良教授成成功研制制开发，第第一个应应用工程程为天津津科学馆馆2，属于于“土生生土长”类型。本文介绍的的是节点点体中的的焊接空空心球节节点，简简要介绍绍了研究究进展和和有限元元分析方方法分析析焊接空空心球节节点承载载力的过过程及得得到的相应承载载力公式式，最后后指出了了当前研研究中的的不足。优缺点及国国内外应应用情况况焊接空心球球节点是是由两个个半球焊焊

3、接而成成的空心心球，可可根据受受力大小小分别采采用不加加肋和加加肋两种种，如下图2所示示4。在我国国，焊接接空心球球节点可可适用于于单层或或多层空空间网格格结构的的节点体体系，该该体系是是将钢管管与预制制好的空空心球直直接焊接接而成，适适用于连连接钢管管杆件。焊焊接空心心球节点点的优点点是构造造简单，受受力明确确，连接接方便，且且其刚度度较螺栓栓球节点点要大得得多，所以它它也比螺螺栓球节节点具有有更广泛泛的适用用范围，但但是焊接接空心球球节点的的现场焊焊接工作作量较大大，同时时，球的的直径比比管径要要大得多多，这成成为建筑筑上的一一个缺点点1。出于特殊情情况及质质量控制制上的考考虑，国国外一般

4、般不采用用现场焊焊接的形形式，故故焊接空空心球节节点在国国外的工工程实例例已经不不多见，目目前，该该类节点点主要在在我国广广泛使用用，这里里面还包包括著名名的国家家游泳中中心“水水立方”。图2-1 不加肋肋的空心心球 图图2-22 加肋肋的空心心球 一些研究及及成果国内对焊接接空心球球节点有有着广泛泛的研究究分析，但但尚未达达成统一一的承载载力计算算公式。到到目前为为止，研研究焊接接空心球球节点的的方法一一般是33种：一一、上个个世纪990年代代以前，当当时由于于工程设设计的需需要而且且计算机机分析还还没有完完善，主主要利用用试验方方法对焊焊接空心心球节点点进行承承载力研研究和破破坏机理理分析

5、；二、随随着有限限元分析析软件的的不断完完善，主主要是通通过有限限元方法法来对焊焊接空心心球节点点分析；三、从从理论上上对焊接接空心球球节点分分析。比比较这些些方法，试试验方法法主要是是通过对对试验数数据的一一些数学学处理，提提出经验验公式，不不足是缺缺少理论论基础；有限元元方法可可以得到到比较准准确的计计算结果果，但是是对计算算机的配配置和模模型的建建立要求求高，而而且有限限元软件件很难模模拟工程程中的实实际情况况；直接接通过理理论进行行分析，从微分分方程中中得出解解析解比比较难5。下面简简单地说说明并列列出用了了一些相相关的公公式：（一）规范范采用的的计算公公式1991年年，网网架结构构设

6、计与与施工规规程（JGJJ 791)，当空心心球直径径为1220mmm-5000mmm时，公公式如下下6：式中，Nc为受受压空心心球的轴轴向压力力设计值值(N)；D为为空心球球外径(mm)；t为为空心球球壁厚(mm)；d为为钢管外外径(mmm)；c为受压压空心球球加劲承承载力提提高系数数，无肋肋取1.0，有有肋取11.4； Nl为受受拉空心心球的轴轴向压力力设计值值(N)；l为受受拉空心心球加劲劲承载力力提高系系数，无无肋取11.0，有有肋取11.1；f为钢材材强度设设计值(N2003年年，网网壳结构构技术规规程中中对空心心球直径径为1220mmm9000mmm时，将将受拉和和受压时时焊接空空

7、心球节节点公式式合二为为一77：式中，D为为空心球球外径(mm)；t为空空心球壁壁厚(mmm)：d为钢钢管外径径(mmm)；d为加加劲承载载力提高高系数，无无肋取11.0，有肋肋取1.4：f为钢材材强度设设计值(N/mmm2)此外，20010年年11月月刚出版版的最新新规范空空间网格格结构技技术规程程的报批正文文稿中，总结结了911年和003年的的两本规规范，并并融合进进了设计计人员的的意见。关于焊接空心球节点的受压和受拉承载力设计值计算公式如下4：式中，0为大大直径空空心球节节点承载载力调整整系数。当当空心球球直径5000mm 时，取取1.00；当空空心球直直径5500mmm时，取取0.9对

8、于单层网网壳结构构，空心心球承受受压弯或或拉弯的的承载力力设计值值Nm可按下下式计算算：m为考虑空心心球受压压弯或拉拉弯作用用的影响响系数，根根据偏心心系数c=2MNd ，查询询相关曲（二）早期期基于实实验结果果提出的的计算公公式1972年年，上海民民用建筑筑设计院院和同济济大学在在上海文文化广场场网架屋屋盖工程程中进行行了233个焊接接空心球球节点的的试验研研究，提提出了如如下经验验公式8：1990年年，雷宏宏刚通过过对球面面应力分分布规律律的研究究给承载载力公式式的建立立提供了了理论依依据。对对球面应应力的分分析说明明：实际际节点，当当杆件相相距不是是很近时时彼此影影响不大大，可以以单向受

9、受力作为为破坏荷荷载的依依据。节节点受拉拉为强度度破坏，影影响承载载力主要要因素为为(球壁壁厚)、dd(管径径)及。而而受压则则属失稳稳破坏，除除、d之之外，承承载力理理应与DD(球径径)有关关。但经经分析：此节点点在发生生的破坏坏是局部部而不是是整体失失稳。若若这样，则则D的影影响次要要，只有有当球径径很大时时D对承承载力的的影响才才会显示示出来。利利用2006个试试验数据据(汾阳阳建筑金金属结构构公司1187个个，河北北建筑设设计院66个，大大连工学学院5个个，西北北建筑设设计院55个，太太原工学学院3个个)，通通过对承承载力影影响因素素的分析析，得到到了一致致的结论论。为此此，利用用数学

10、上上主因素素法的概概念，经经回归分分析，提提出了公公式99：式中，Na为受受压容许许承载力力(t)；为球壁壁厚(ccm)；d为管管径(ccm)；Ka为受压压安全系系数，取取2.00；a为加加劲增值值系数，无无肋取11.0，有有肋取11.5；D为球径径修正系系数a当当1500D4000取1.0，当当4000D5000取0.9。Nl为受拉容许承载力t；Kl（三）有限限元方法法利用有限元元方法进进行承载载力分析析是主要要的研究究方法，故故这类研研究较多多。如20055年，董董石麟院院士等人人采用理理想弹塑塑性应力力、应变变关系和和VonnMiisess屈服准准则、同同时考虑虑几何非非线性的的影响，建

11、建立焊接接空心球球节点的的有限元元分析模模型，选选用八节节点六面面体实体体单元SSOLIID455。单元元网格采采用映射射划分，球球管连接接的应力力集中处处网格加加密对承承受轴力力、弯矩矩及两者者共同作作用的空空心球节节点进行行大量的的非线性性有限元元分析。对对典型节节点进行行试验研研究，以以直观了了解节点点的受力力性能和和破坏机机理，并并验证有有限元模模型的正正确性。最后，综合简化理论解、有限元分析和试验研究的结果，建立焊接空心球节点在轴力和弯矩共同作用下的承载力实用计算方法3：（四）理论论分析推推导承载载力计算算公式如20055年，陈陈志华等等通过因因素相关关分析得得出受压压空心球球节点承

12、承载力影影响因素素，并通通过回归归分析在在考虑安安全度的的基础上上建立受受压空心心球的承承载力计计算公式式；对受受拉空心心球节点点采取冲冲切模式式，利用用冲剪法法和第四四强度理理论并考考虑一定定的安全全度建立立了受拉球球节点承承载力设设计值计计算公式式100：有限元分析析方法的的承载力力分析过过程介绍绍以下为利用用有限元元分析各各种焊接接空心球球节点在在单向轴轴压作用用下承载载力的相关因因素以及及得到相相关承载载力公式式的过程程。该过程对1145个个节点进进行有限限元分析析(详见见表3.1表表3.5)，节节点的几几何参数数变化范范围为：空心球球直径3300mmmDD10000mmm（部部分直直

13、直径超过过了现有有网格规规范规定定的公式式适用范范围），球球径与壁壁厚之比比25D/t445，钢钢管直径径与球径径之比00.2d/DD0.66。重点点考察大大直径且且壁厚较较薄的焊焊接球节节点的承承载能力力5。（一）有限限元模型型采用通用有有限元软软件ANNSYSS进行分分析。为为简化计计算引入入对称边边界条件件，取11/4的的球体及及相应的的钢管进进行分析析(见图图3.11)。采用八节点点六面体体实体单单元SOLIID455，单元元网格采采取映射射划分。根根据文献献3并根据据实际验验证，发发现模型型沿壁厚厚划分成成4层单单元既能能满足精精度要求求又能减减少计算算量。故故模型均均采用沿沿壁厚划

14、划分4层层网格，具具体见图图3-1。分分析时采采用理想想弹塑性性应力、应变关关系和VVon-Misses屈服服准则，考考虑几何何非线性性的影响响，通过过弧长法法迭代跟跟踪节点点的荷载载位移全全过程响响应。分分析中没没有考虑虑材料的的硬化对对节点承承载力的的有利影影响，一一方面各各种钢材材的硬化化程度不不尽相同同，难以以完全考考虑；另另一方面面将这部部分有利利作用考考虑到结结构设计计的安全全储备中中。（二）有限限元计算算结果及及承载力力影响因因素分析析表3.1表3.5给出出了不同同管径和和球径比比d/D时共共1455个节点点的有限限元计算算结果。（1）直径径D的影影响图3-2给给出了各各种径厚厚

15、比下，直径径对焊接接球节点点承载力力的影响响。为便便于分析析，引入入无量纲纲参数N/tdf，通通过比较较图3-2中各各种D/t下焊接球球承载力力的变化化情况。发发现在相相同的dd/D时，不不同直径径对应的的无量纲纲参数基基本在同同一水平平直线上上，说明明球径的的变化对对节点承承载能力(2)径厚厚比Dt的的影响图3-3给给出了径径厚比DD/t变变化时焊焊接空心心球节点点的承载载力变化化，图中中X轴为DD/t，YY轴仍为为无量纲纲参数N/tdf。可以看看出，随随着径厚厚比D/t的增增大(即即壁厚相相对减薄薄)，节节点的承承载能力力略有下下降，但但总体影影响不大大，对我我国规程程给出的的焊接球球径厚

16、比比的上下下限值(D/t分别为为25和和45)，D/t=455时的承承载力约约为D/t=255时的990。此此外，不不同的dd/D时，承承载力随随D/t增大而而略有下下降的趋趋势十分分接近。但总体上看，径厚比对节点承载力的影响较小，但为安全起见，对薄壁焊接球(D下面以D=6000，d/D=0.2和0.6的焊焊接球节节点为例例，考察察不同的的径厚比比D/t时的荷荷载位位移曲线线来分析析径厚比比对焊接接球承载载性能的的影响。为为统一比比较标准准，有限限元分析析时取其其对称面面上球体体顶点竖竖向位移移达到88mm时时作为结结束计算算的依据据。比较较不同DD/t时荷载载位移曲曲线，达达到极限限承载力力

17、后，承载力力的下降降段都较较为平缓缓，且趋趋势基本本一致。说说明径厚厚比的变变化对空空心球节节点的破破坏模式式影响不不大。(3) 管管径与球球径之比比d/DD的影响响管径与球径径之比dd/D是是影响焊焊接球节节点承载载力的重重要因素素之一。我我国网壳壳规程及及文献【3】中均采采用了NR=(A+BdD)dtdf形形式的承承载力计计算公式式，其中中A、BB为待定定系数。图图 3-5给出出了不同同d/DD时焊接接空心球球节点的的承载力力变化，图图中也给给出了文文献【3由图3-55可以看看出，文文献【33】公式作作为所有有节点承承载力计计算结果果的下包包络线是是基本合合适的，但但对于dd/D0.6且且

18、D/t=445时的的少量节节点会偏偏于不安安全，而而当d/Dtc；当tc44mm时时，1.2（5）当在在确定空空心球外外径时，球球面上相相邻杆件件之间的的净距aa不宜小小于 110mmm（图 4-22），空空心球直直径可初初步按下下式估算算：式中， 汇集于于球节点点任意两两相邻钢钢管杆件件间的夹夹角（弧弧度 rrad）； d1，d2 组成成角的钢钢管外径a 球面上上相邻杆杆件之间间的净距距（mmm）图4-2空空心球节节点相邻邻钢管杆杆件（6）当空空心球直直径过大大、且连连接杆件件又较多多时，为为了减少少空心球球节点直直径，允允许部分分腹杆与与腹杆或或腹杆与与弦杆相相汇交，但但必须满满足以下下构

19、造要要求；（i）所有有汇交杆杆件的轴轴线必须须通过球球中心线线；（ii）汇汇交两杆杆中，截截面积大大的杆件件必须全全截面焊焊在球上上（当两两杆截面面积相等等时，取取受拉杆杆），另另一杆坡坡口焊在在相汇交交杆上，但但必须保保证有 3/44 截面面焊在球球上，并并用加劲劲板加强强；（iii）受力大的杆件，可按图 4-3设置加劲板，或按图 4-4增设支托板。图4-3 汇交杆杆件连接接图4-4汇汇交杆件件连接增增设支托托板（7）当空空心球外外径大于于 3000mmm，且杆杆件内力力较大需需要提高高承载能能力时，可可在球内内加肋；当空心心球外径径大于或或等于 5000mm，应应在球内内加肋。肋肋板必须须

20、设在轴轴力最大大杆件的的轴线平平面内，且且其厚度度不应小小于球壁壁的厚度度。六研究存存在的不不足和发发展目前为止，关关于焊接接空心球球节点承承载力的的研究主主要对象象为在单单向受力力状态下下，而实实际工程程中绝大大多数焊焊接空心心球节点点是处于多多向受力力状态的的，且除除网架结结构杆件件大多以以轴压或或轴拉为为主外，网网壳结构构及其他他一些特特殊空间间刚接结结构的杆杆件多处处于弯矩矩和轴力力共同作作用下。而而关于这这方面的的研究还还处于空空白或起起步状态态。现在在实际工工程中多多用单轴轴受力情情况来等效多多向受力力情况。对于加肋的的焊接空空心球节节点，规规范只给给出了当当仅承受受轴力或或轴力与

21、与弯矩共共同作用用但以轴轴力为主主（m00.8）且且轴力方方向和加加肋方向向一致时时，其承承载力可可乘以加加肋空心心球承载载力提高高系数来来考虑。而而对其他他情况并并没有做做出详细细说明，这这方面的的研究还还尚有待此外，虽然然有了一一些研究究，但规规范只针针对节点点的连接接杆件形形状中的的圆管，而而对于其其他形状状的杆件件（方管管等）尚尚无说明明，这方方面还有有待更多多的研究究来完善善。参考文献：1 钱钱若军，杨杨联萍，胥胥传熹.空间格格构结构构设计s.东南大大学出版版社,220077:1336-11382 刘刘锡良. HYPERLINK /kns50/detail.aspx?dbname=CPFD2000&filename=KJJG200009001002&filetitle=%e5%9b%bd%e5%86%85%e5%a4%96%e7%a9%ba%e9%97%b4%e7%bb%93%e6%9e%84%e8%8a%82%e7%82%b9%e7%bb%bc%e8%bf%b0 o 国内外空间结构节点综述 相似度 79% 国内外外空间结结构节点点综述A.第九届届空间结结构学术术会议论论文集C, 200003 董董石麟，唐唐海军，赵赵阳等.轴力和和弯矩共共同作用用