李思遥-套筒式节点拉压性能理论及试验研究

套筒式节点拉压性能理论及试验研究汇报人：李思遥导师：薛素铎第十五届空间结构学术会议北京工业大学空间结构研究中心

2014-10-30汇报提纲

套筒式节点简介1节点拉压性能理论研究2节点拉压性能试验研究3结论41研究背景网格结构新应用伦敦奥运会游泳馆研究背景1研究背景网格结构新应用伦敦奥运会游泳馆伦敦奥运会篮球馆是奥运会史上最大的临时性建筑。场馆中的看台设计独立的单元——可拆卸的网格结构单元，球馆的维护结构采用PVC骨架膜。篮球馆的设计实现了结构的可拆卸、可重复利用，重新定义了临时结构的概念，合理地解决了设计年限和荷载取值问题。研究背景1研究背景伦敦奥运场馆建设的启示

重新思考网格结构的应用范围

改变观念由建筑结构

结构如何转化为产品？

标准化、工厂化和装配化建筑产品1节点构造节点主要连接形式：螺纹联接套筒式节点简介§5-1螺纹大径d

－是螺纹的公称直径。小径d1－常用于强度计算。中径d2－常用于几何计算。螺距P

－中径线上，相邻两螺纹牙上对应点间的轴向距离。牙型角a－在轴向截面内，螺纹牙型两侧边的夹角。螺纹螺纹的主要参数牙型高度h－牙顶和牙底间垂直于轴线的距离螺纹旋向分左旋和右旋，常用右旋螺纹螺纹升角y－螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角。啮合（旋合）扣数n

－内外螺纹咬合的圈数。螺纹参数简介套筒式节点简介1连接步骤1步骤1：接头-1与焊接球焊接套筒式节点简介连接步骤1步骤2：接头-2焊接于杆件端部套筒式节点简介连接步骤1步骤3：套筒与接头-1连接套筒式节点简介连接步骤1套筒式节点简介步骤4：反向旋转套筒，连接接头-1与-2。2数值模拟研究对象：螺纹部分软件：ANSYS单元：SOLID185，TARGE170，CONTA174研究参数：接头壁厚、套筒壁厚、螺距、螺纹啮合扣数节点拉压性能理论研究2数值模拟接头壁厚增大，节点承载力增大。接头壁厚对节点承载力的影响

轴拉节点拉压性能理论研究2数值模拟套筒壁厚增大，节点承载力降低，幅度2%。套筒壁厚对节点承载力的影响

轴拉节点拉压性能理论研究2数值模拟螺距对节点承载力的影响

轴拉螺距增大，节点承载力先增大后减小。节点拉压性能理论研究2数值模拟啮合扣数对节点承载力的影响

轴拉螺纹啮合扣数增大，节点承载力先增大后稳定。节点拉压性能理论研究2数值模拟

轴压杆件壁厚对节点承载力的影响接头壁厚增大，节点承载力增大。节点拉压性能理论研究2数值模拟

轴压套筒壁厚对节点承载力的影响套筒壁厚增大，节点承载力降低，幅度2%。节点拉压性能理论研究2数值模拟

轴压螺距对节点承载力的影响螺距增大，节点承载力先增大后减小。节点拉压性能理论研究2数值模拟

轴压啮合扣数对节点承载力的影响螺纹啮合扣数增大，节点承载力先增大后稳定。节点拉压性能理论研究2数值模拟数值模拟结论：节点拉压承载力随接头壁厚的增加而增大；随螺距的增加先增大后减小；随螺纹啮合扣数的增加先增大后趋于稳定。套筒壁厚对节点拉压承载力影响较小，可忽略，在设计时取值与接头相等。当套筒壁厚与杆件壁厚相等，螺距为杆件壁厚1/2，杆件与套筒啮合扣数为15时,套筒丝扣节点承载力较高。

节点拉压性能理论研究理论公式2在实际工作状态下，套筒式节点可能出现的破坏形态有四种：（1）螺纹外露段破坏；（2）螺纹牙剪切破坏；（3）螺纹牙弯曲破坏；（4）套筒破坏。螺纹外露段节点拉压性能理论研究理论公式2螺纹外露段破坏节点承载力为：其中：为材料的许用正应力。螺纹外露段截面应力为：为螺纹外露段最小截面面积，

节点拉压性能理论研究理论公式2螺纹牙剪切破坏忽略螺纹小螺旋升角的影响，将一圈螺纹沿螺纹大径展开，螺纹牙可看做宽度为的πd悬臂梁。假设每圈螺纹牙所承受的平均轴力为，n为旋合扣数，并作用在以螺纹中径为直径的圆周上，则螺纹牙危险截面A-A上的剪应力为：节点拉压性能理论研究2节点承载力为：螺纹牙剪切破坏为材料的许用剪切应力，取

理论公式节点拉压性能理论研究2节点承载力为：螺纹牙弯曲破坏

螺纹牙危险截面的弯曲应力为：l为弯曲力臂，

为材料的许用弯曲应力

理论公式节点拉压性能理论研究2螺纹牙弯曲破坏

理论公式易知，所以螺纹牙将先发生剪切破坏而不发生弯曲破坏。节点拉压性能理论研究2节点承载力为：套筒破坏

套筒可能发生的破坏形式为套筒在接头-1与接头-2交界处破坏（套筒中部）。理论公式

该区域套筒仅承受拉压荷载，其应力为：节点拉压性能理论研究2套筒破坏

理论公式令由于，且因螺纹加工工艺需要，套筒壁厚不会小于接头壁厚，即：，则节点螺纹外露段必先于套筒发生破坏。套筒式节点可能出现的破坏形态仅：（1）螺纹外露段破坏；（2）螺纹牙剪切破坏。节点拉压性能理论研究2节点刚度公式

理论公式根据文献：螺纹旋合段等效弹性刚度为为旋合螺纹段弹性变形等效长度为旋合螺纹段有效截面面积对于三角形螺纹节点拉压性能理论研究2节点刚度公式

理论公式根据文献：螺纹旋合段等效弹性刚度为节点拉压性能理论研究对比2

理论公式与模拟结果对比——轴拉不同接头壁厚时节点受拉计算结果对比

承载力位移

壁厚(mm)公式(kN)模拟(kN)相对误差(%)公式(mm)模拟(mm)相对误差(%)P=2mm3.5145.2138.64.80.14970.14533.04173.7181.94.50.14800.13737.84.5201.6198.31.70.15130.13829.55229211.78.20.14470.13626.25.5255.8239.46.90.14950.13917.56282.1269.64.60.14760.13836.7节点拉压性能理论研究对比2

理论公式与模拟结果对比——轴拉不同螺距时节点受拉计算结果对比

承载力位移

螺距(mm)公式(kN)模拟(kN)相对误差(%)公式(mm)模拟(mm)相对误差(%)n=151.5254.6251.01.40.12080.11326.72272.1266.02.30.14760.13836.72.5265.2261.01.60.16410.15853.63248.5256.02.90.17550.17821.53.5231.9245.05.30.18700.20147.14225.5237.04.90.20810.22527.6节点拉压性能理论研究对比2

理论公式与模拟结果对比——轴拉不同旋合扣数时节点受拉承载力值对比计算结果对比

承载力位移

扣数公式(kN)模拟(kN)相对误差(%)公式(mm)模拟(mm)相对误差(%)P=1.5mm,t=4mm10190.7175.98.40.12730.113512.211190.7175.98.40.12980.115512.412190.7175.98.40.13230.116213.913190.7175.98.40.13480.118913.414190.7175.98.40.13740.122811.915190.7175.98.40.13990.12868.816190.7175.98.40.14240.12989.717190.7175.98.40.14490.13596.618190.7175.98.40.14740.13757.2节点拉压性能理论研究对比2

理论公式与模拟结果对比——轴压不同接头壁厚时节点受压计算结果对比

承载力位移

壁厚(mm)公式(kN)模拟(kN)相对误差(%)公式(mm)模拟(mm)相对误差(%)P=2mm3.5145.2152.24.60.13300.13793.64173.7175.91.30.13380.13964.14.5201.6204.01.20.13450.13983.85229229.80.40.13520.12567.65.5255.8268.44.70.13570.13212.86272.7305.410.70.13170.13351.4节点拉压性能理论研究对比2

理论公式与模拟结果对比——轴压不同螺距时节点受压计算结果对比

承载力位移

螺距(mm)公式(kN)模拟(kN)相对误差(%)公式(mm)模拟(mm)相对误差(%)n=151.5299.1300.30.40.14190.14814.22282.1310.69.20.15300.16527.42.5269.2303.711.40.16660.18258.73249.5275.19.30.17620.19529.73.5241.9264.78.60.19510.21489.24218.5240.49.10.20160.22179.1节点拉压性能理论研究对比2

理论公式与模拟结果对比——轴压不同旋合扣数时节点受压计算结果对比

承载力位移

扣数公式(kN)模拟(kN)相对误差(%)公式(mm)模拟(mm)相对误差(%)P=1.5mm,t=4mm5113.2140.719.50.06810.085620.46123.9161.923.50.07620.099423.47154.5172.410.40.09700.10911.08165.1183.09.80.10590.11578.59190.7190.00.40.12480.11785.910190.7193.51.40.12730.11877.211190.7197.03.20.12980.13010.212190.7197.03.20.13230.13210.2节点拉压性能理论研究对比2

对比分析结论：承载力计算公式：数值模拟结果与理论公式计算结果吻合较好，当t/P接近2时误差最小，公式计算结果略大于数值模拟结果。刚度计算公式：理论公式与数值模拟吻合较好。对比节点拉压性能理论研究对比2节点拉压性能理论研究

对比根据计算公式和数值模拟两种方法对比，可得出节点拉压承载力设计计算的简化公式。取值条件：t/P≈2；旋合扣数n=15；套筒壁厚与接头壁厚相等。则节点承载力计算公式为：节点的破坏形式为螺纹外露段破坏。

3轴拉试验试件

破坏形态

试件根据简化设计公式设计。节点拉压性能试验研究轴压试验3试件

破坏形态

节点拉压性能试验研究与数值模拟对比3轴拉试验与数值模拟对比曲线吻合较好。节点拉压性能试验研究与数值模拟对比3曲线吻合较好。轴压试验与数值模拟对比节点拉压性能试验研究与数值模拟对比3

承载力

公式(kN)模拟(kN)试验(kN)相对误差(%)轴拉32.1130.06307.05轴压35.3234.1537.76.3

位移

公式(kN)模拟(kN)试验(mm)相对误差(%