焊接空心球节点承载力

焊接空心球节点承载力分析引言空间网格结构是是由杆件通过过节点相连接接而成的结构构系统，节点点是结构系统统中重要的受受力构件，离离散的杆件通通过节点集成成为一个结构构系统，所以以在空间网格格结构系统中中,节点的构造造设计和强度度都是十分重重要的。在空空间网格结构中用用于构件间连连接的典型节节点有两种类类型：相贯节节点和节点体体。相贯节点点是指杆件与与杆件直接相相交，而不是是通过节点；；节点体是指指各杆件通过过一个节点相相交，该节点点是独立的构构件，如图11所示[1]]。图1各种典型型节点现在应用于大跨跨空间结构中中，适合中国国国情且在工程上应用用广泛的主要有两种节节点体形式：螺栓球节点点和焊接空心心球节点。前前者是70年年代从德国MMEMO引进进的，最早由由内蒙古铁路路局设计室研研制成功并应应用于内蒙古古呼和浩特铁铁路局俱乐部部[2]，属于于“洋为中用用”类型；而后者者焊接空心球球节点是19964-19966年间由由刘锡良教授授成功研制开开发，第一个个应用工程为为天津科学馆馆[2]，属于于“土生土长长”类型。本文介绍的是节节点体中的焊焊接空心球节节点，简要介介绍了研究进进展和有限元分析析方法分析焊焊接空心球节节点承载力的的过程及得到到的相应承载力公公式，最后指指出了当前研研究中的不足足。优缺点及国内外外应用情况焊接空心球节点点是由两个半半球焊接而成成的空心球，可可根据受力大大小分别采用用不加肋和加加肋两种，如下图2所示[4]。在我国，焊焊接空心球节节点可适用于于单层或多层层空间网格结构的节节点体系，该该体系是将钢钢管与预制好好的空心球直直接焊接而成成，适用于连连接钢管杆件件。焊接空心心球节点的优优点是构造简简单，受力明明确，连接方方便，且其刚刚度较螺栓球球节点要大得得多，所以它也比螺螺栓球节点具具有更广泛的的适用范围，但但是焊接空心心球节点的现现场焊接工作作量较大，同同时，球的直直径比管径要要大得多，这这成为建筑上上的一个缺点点[1]。出于特殊情况及及质量控制上上的考虑，国国外一般不采采用现场焊接接的形式，故故焊接空心球球节点在国外外的工程实例例已经不多见见，目前，该该类节点主要要在我国广泛泛使用，这里里面还包括著著名的国家游游泳中心“水水立方”。图2-1不加加肋的空心球球图2-2加肋肋的空心球一些研究及成果果国内对焊接空心心球节点有着着广泛的研究分析，但但尚未达成统统一的承载力力计算公式。到到目前为止，研研究焊接空心心球节点的方方法一般是33种：一、上上个世纪900年代以前，当当时由于工程程设计的需要要而且计算机机分析还没有有完善，主要要利用试验方方法对焊接空空心球节点进进行承载力研研究和破坏机机理分析；二、随着有有限元分析软软件的不断完完善，主要是是通过有限元元方法来对焊焊接空心球节节点分析；三、从理论论上对焊接空空心球节点分分析。比较这这些方法，试试验方法主要要是通过对试试验数据的一一些数学处理理，提出经验验公式，不足足是缺少理论论基础；有限限元方法可以以得到比较准准确的计算结结果，但是对对计算机的配配置和模型的的建立要求高高，而且有限限元软件很难难模拟工程中中的实际情况况；直接通过过理论进行分分析，从微分方程程中得出解析析解比较难[[5]。下面简单地地说明并列出出用了一些相相关的公式：：（一）规范采用用的计算公式式1991年，《网网架结构设计计与施工规程程》（JGJ77—91)，当空心球直直径为1200mm-5000mm时，公式如下[6]：式中，Nc为受压空空心球的轴向向压力设计值值(N)；DD为空心球外外径(mm))；t为空心心球壁厚(mmm)；d为为钢管外径((mm)；ηc为为受压空心球球加劲承载力力提高系数，无无肋取1.00，有肋取1..4；Nl为受拉空空心球的轴向向压力设计值值(N)；ηl为为受拉空心球球加劲承载力力提高系数，无无肋取1.00，有肋取1..1；f为钢材强2003年，《网网壳结构技术术规程》中对对空心球直径径为120mmm～9000mm时，将将受拉和受压压时焊接空心心球节点公式式合二为一[[7]：式中，D为空心心球外径(mmm)；t为为空心球壁厚厚(mm)：：d为钢管外外径(mm)；ηd为加劲承承载力提高系系数，无肋取取1.0，有肋取11.4：f为钢材强度度设计值(N此外，20100年11月刚出出版的最新规规范《空间网网格结构技术术规程》的报批正文稿中，总结了991年和033年的两本规规范，并融合合进了设计人人员的意见。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，η0为大直径径空心球节点点承载力调整整系数。当空空心球直径≤≤500mmm时，取11.0；当空空心球直径>>500mmm时，取0.对于单层网壳结结构，空心球球承受压弯或或拉弯的承载载力设计值NNm可按下式计计算：ηm为考虑空心球受受压弯或拉弯弯作用的影响响系数，根据据偏心系数c=2MNd（二）早期基于于实验结果提提出的计算公公式1972年，上上海民用建筑筑设计院和同同济大学在上上海文化广场场网架屋盖工工程中进行了了23个焊接接空心球节点点的试验研究究，提出了如如下经验公式式[8]：1990年，雷雷宏刚通过对对球面应力分分布规律的研研究给承载力力公式的建立立提供了理论论依据。对球球面应力的分分析说明：实实际节点，当当杆件相距不不是很近时彼彼此影响不大大，可以单向向受力作为破破坏荷载的依依据。节点受受拉为强度破破坏，影响承承载力主要因因素为δ(球壁厚))、d(管径径)及[σ]]。而受压则则属失稳破坏坏，除δ、d之外，承承载力理应与与D(球径))有关。但经经分析：此节节点在发生的的破坏是局部部而不是整体体失稳。若这这样，则D的的影响次要，只只有当球径很很大时D对承承载力的影响响才会显示出出来。利用2206个试验验数据(汾阳阳建筑金属结结构公司1887个，河北北建筑设计院院6个，大连连工学院5个个，西北建筑筑设计院5个个，太原工学学院3个)，通通过对承载力力影响因素的的分析，得到到了一致的结结论。为此，利利用数学上主主因素法的概概念，经回归归分析，提出出了公式[99]：式中，Na为受压容容许承载力((t)；δ为球壁厚((cm)；dd为管径(ccm)；Ka为受受压安全系数数，取2.00；ηa为加劲增增值系数，无无肋取1.00，有肋取11.5；ηD为球球径修正系数数a当1500≤D≤4000取1.00，当4000≤D≤5000取0.99。Nl为受拉容许承载力t；Kl为受拉安安全系数，取取2.5，ηl为为加劲增值系系数，无肋取取1.0，有有肋取1.1（三）有限元方方法利用有限元方法法进行承载力力分析是主要要的研究方法法，故这类研研究较多。如2005年，董董石麟院士等等人采用理想弹弹塑性应力、应应变关系和VVon—Miises屈服服准则、同时时考虑几何非非线性的影响响，建立焊接接空心球节点点的有限元分分析模型，选选用八节点六六面体实体单单元SOLIID45。单单元网格采用用映射划分，球球管连接的应应力集中处网网格加密对承承受轴力、弯弯矩及两者共共同作用的空空心球节点进进行大量的非非线性有限元元分析。对典典型节点进行行试验研究，以以直观了解节节点的受力性性能和破坏机机理，并验证证有限元模型型的正确性。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）理论分析析推导承载力力计算公式如2005年，陈陈志华等通过过因素相关分分析得出受压压空心球节点点承载力影响响因素，并通通过回归分析析在考虑安全全度的基础上上建立受压空空心球的承载载力计算公式式；对受拉空空心球节点采采取冲切模式式，利用冲剪剪法和第四强强度理论并考考虑一定的安安全度建立了了受拉球节点点承载力设计计值计算公式式[10]：有限元分析方法法的承载力分分析过程介绍绍以下为利用有限限元分析各种种焊接空心球球节点在单向向轴压作用下下承载力的相关因素以以及得到相关关承载力公式式的过程。该过程对1455个节点进行行有限元分析析(详见表33.1～表3.5)，节点点的几何参数数变化范围为为：空心球直直径300mmm≤D≤11000mmm（部分直直直径超过了现现有网格规范范规定的公式式适用范围），球径与壁厚之比25≤D/t≤45，钢管直径与球径之比0.2≤d/D≤0.6。重点考察大直径且壁厚较薄的焊接球节点的承载能力[5]。（一）有限元模模型采用通用有限元元软件ANSSYS进行分分析。为简化化计算引入对对称边界条件件，取1/44的球体及相相应的钢管进进行分析(见见图3.1))。采用八节点六面面体实体单元元SOLID445，单元网网格采取映射射划分。根据据文献[3]]并根据实际际验证，发现现模型沿壁厚厚划分成4层层单元既能满满足精度要求求又能减少计计算量。故模模型均采用沿沿壁厚划分44层网格，具具体见图3--1。分析时时采用理想弹弹塑性应力、应变关系和和Von-Miises屈服准则则，考虑几何何非线性的影影响，通过弧弧长法迭代跟跟踪节点的荷荷载位移全过过程响应。分分析中没有考考虑材料的硬硬化对节点承承载力的有利利影响，一方方面各种钢材材的硬化程度度不尽相同，难以完全考虑；另一方面将这部分有利作用考虑到结构设计的安全储备中。（二）有限元计计算结果及承承载力影响因因素分析表3.1～表33.5给出了不不同管径和球球径比d/D时共1445个节点的的有限元计算算结果。（1）直径D的的影响图3-2给出了了各种径厚比下，直径对焊焊接球节点承承载力的影响响。为便于分分析，引入无无量纲参数N/πtdf，通通过比较图33-2中各种种D/t下焊接球承载载力的变化情情况。发现在在相同的d//D时，不同同直径对应的的无量纲参数数基本在同一一水平直线上上，说明球径径的变化对节节点承载能力(2)径厚比DD／t的影响响图3-3给出了了径厚比D//t变化时焊焊接空心球节节点的承载力力变化，图中中X轴为D/t，Y轴仍仍为无量纲参参数N/πtdf。可以看出，随随着径厚比DD/t的增大((即壁厚相对对减薄)，节节点的承载能能力略有下降降，但总体影影响不大，对对我国规程给给出的焊接球球径厚比的上上下限值(DD/t分别为255和45)，D/t=45时的承载力约为D/t=25时的90％。此外，不同的d/D时，承载力随D/t增大而略有下降的趋势十分接近。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/t≥下面以D=6000，d/D=0.2和0.6的焊接接球节点为例例，考察不同同的径厚比DD/t时的荷载～～位移曲线来来分析径厚比比对焊接球承承载性能的影影响。为统一一比较标准，有有限元分析时时取其对称面面上球体顶点点竖向位移达达到8mm时时作为结束计计算的依据。比比较不同D/t时荷载~位移曲线，达达到极限承载载力后，承载力的下下降段都较为为平缓，且趋趋势基本一致致。说明径厚厚比的变化对对空心球节点点的破坏模式式影响不大。(3)管径与与球径之比dd/D的影响响管径与球径之比比d/D是影响响焊接球节点点承载力的重重要因素之一一。我国网壳壳规程及文献献【3】中均采用了了NR=(A+BdD)ηdπtdf形式的承载载力计算公式式，其中A、BB为待定系数数。图3--5给出了不不同d/D时焊接接空心球节点点的承载力变变化，图中由图3-5可以以看出，文献献【3】公式作为所所有节点承载载力计算结果果的下包络线线是基本合适适的，但对于于d/D>0.6且D/t=45时时的少量节点点会偏于不安安全，而当dd/D<0.4时，文献【3】公公式又稍偏于于保守。为克克服这一问题题，利用1445个节点的的计算结果，先先用matllab对有限限元结果进行行拟合得出一一条直线，再再平移该直线线保证95％％的有限元结结果在新直线线上方(图中中实线所示))，取A=00.37，B==0.45，直直线方程为00.37+0.45d/D。即将将文献【3】承承载力计算公公式改进为以以下表达式:（三）有限元分分析结果与规规范公式《空间网格结构构技术规程》公公式很明显反映了了有限元分析析各种影响因因子影响程度度的结论：D与D／t基本无无影响，d//D影响较大大。而由于该次有限元分分析过程简化了实实际条件，且且考虑的D范范围扩大，故故两公式在系系数上又有一定区别，但但总体来看，有有限元分析的的结果是比较较准确的，又又可以节省试试验的成本，具具有很大优越越性，因此，有有限元分析成成为研究焊接接空心球节点点的重要方法法。焊接空心球节点点的设计构造要求求根据最新的《空空间网格结构构技术规程》，焊接空心球的设计及钢管杆件与空心球的连接应满足以下构造要求[4]：（1）网架和双双层网壳空心心球的外径与与壁厚之比宜宜取25~445；单层网网壳空心球的的外径与壁厚厚之比宜取220~35；；空心球外径径与主钢管外外径之比宜取取2.4~33.0；空心心球壁厚与主主钢管的壁厚厚之比宜取11.5~2..0。空心球球壁厚不宜小小于4mm；；（2）不加肋空空心球和加肋肋空心球的成成型对接焊接接，应分别满满足图2--1和图2-2的要要求。加肋空空心球的肋板板可用平台或或凸台，采用用凸台时，其其高度不得大大于1mmm；（3）钢管杆件件与空心球连连接，钢管应应开坡口，在在钢管与空心心球之间应留留有一定缝隙隙并予以焊透透，以实现焊焊缝与钢管等等强，否则应应按角焊缝计计算。钢管端端头可加套管管与空心球焊焊接（如图44-1）。套管壁厚不不小于3mmm，长度可可为30~550mm；图4-1钢管加加套管的连接接（4）角焊缝的的焊脚尺寸ℎf应应符合下列要要求：当钢管管壁厚tc≤4mm时，11.5tc≥ℎf>tc；当tc>4mm时，1..2（5）当在确定定空心球外径径时，球面上上相邻杆件之之间的净距aa不宜小于10mm（图图4-2），空空心球直径可可初步按下式式估算：式中，θ———汇集于球球节点任意两两相邻钢管杆杆件间的夹角角（弧度rrad）；d1，d2——组成θ角角的钢管外a——球面面上相邻杆件件之间的净距距（mm）图4-2空心球球节点相邻钢钢管杆件（6）当空心球球直径过大、且且连接杆件又又较多时，为为了减少空心心球节点直径径，允许部分分腹杆与腹杆杆或腹杆与弦弦杆相汇交，但但必须满足以以下构造要求求；（i）所有汇交交杆件的轴线线必须通过球球中心线；（ii）汇交两两杆中，截面面积大的杆件件必须全截面面焊在球上（当当两杆截面积积相等时，取取受拉杆），另另一杆坡口焊焊在相汇交杆杆上，但必须须保证有33/4截面面焊在球上，并并用加劲板加加强；（iii）受力力大的杆件，可可按图4-3设置加劲板板，或按图4-4增设支托板板。图4-3汇交交杆件连接图4-4汇交杆杆件连接增设设支托板（7）当空心球球外径大于300mmm，且杆件内内力较大需要要提高承载能能力时，可在在球内加肋；；当空心球外外径大于或等等于5000mm，应在在球内加肋。肋肋板必须设在在轴力最大杆杆件的轴线平平面内，且其其厚度不应小小于球壁的厚厚度。六．研究存在的的不足和发展目前为止，关于于焊接空心球球节点承载力力的研究主要要对象为在单单向受力状态态下，而实际工工程中绝大多多数焊接空心心球节点是处于多向受受力状态的，且除网架架结构杆件大大多以轴压或或轴拉为主外外，网壳结构构及其他一些些特殊空间刚刚接结构的杆杆件多处于弯弯矩和轴力共共同作用下。而而关于这方面面的研究还处处于空白或起起步状态。现现在实际工程程中多用单轴轴受力情况来来等效多向受受力情况。对于加肋的焊接接空心球节点点，规范只给给出了当仅承承受轴力或轴轴力与弯矩共共同作用但以以轴力为主（ηm≥此外，虽然有了了一些研究，但但规范只针对对节点的连接接杆件形状中中的圆管，而而对于其他形形状的杆件（方方管等）尚无无说明，这方方面还有待更更多的研究来来完善。参考文献：[1]钱若军军，杨联萍，胥胥传熹.空间格构结结构设计[ss].东南大学出出版社,20007:1336-1388[2]刘锡良良.\o"国内外空间结构节点综述相似度79%"国内外空空间结构节点点综述[A]].第九届空间间结构学术会会议论文集[[C],22000[3]