【摘要】：隨著建筑技術的發(fā)展,結構體系與節(jié)點構造日趨復雜。鑄鋼節(jié)點由于整體澆注成型,可根據節(jié)點的受力特性生產出具有復雜外形和內腔的節(jié)點,使節(jié)點的形狀、截面、構造分布合理,實現節(jié)點在改善應力分布的同時具有美觀和流線化的外形,從而解決了常規(guī)節(jié)點在受力大、構造復雜結構中無法解決的連接問題,因此在大跨度空間結構中得到了普遍的應用。然而,在風荷載、地震荷載等交變荷載作用下,鑄鋼節(jié)點易產生疲勞累積損傷,造成節(jié)點在低于設計荷載水平時,由于交變荷載的往復作用而發(fā)生疲勞破壞,導致災難性的事故和巨大的財產損失。本文針對鑄鋼分叉節(jié)點的疲勞性能進行研究,以鑄鋼三分叉節(jié)點為對象,對鑄鋼分叉節(jié)點以及鑄鋼分叉節(jié)點與構件連接處焊縫的疲勞問題進行分析,并對疲勞約束下的鑄鋼分叉節(jié)點開展了拓撲優(yōu)化研究。首先,利用ANSYS Workbench研究了承受交變荷載作用的鑄鋼三分叉節(jié)點的疲勞性能,分析了節(jié)點的疲勞危險區(qū)域的分布位置,計算了節(jié)點的疲勞壽命,討論了幾何參數對鑄鋼分叉節(jié)點的疲勞壽命和疲勞危險區(qū)域分布位置的影響規(guī)律。得到幾何參數中主分管間夾角θ、徑厚比γ、管徑比β、倒角半徑R1、倒角半徑R2對節(jié)點的疲勞壽命影響較大;鑄鋼分叉節(jié)點的疲勞薄弱環(huán)節(jié)位于主分管匯交核心區(qū)域處。其次,利用AR法對鑄鋼分叉節(jié)點的脈動風速時程曲線進行模擬和計算,采用準定常假設將風速時程轉換為對應的風荷載,得到節(jié)點處的風載荷譜,并利用MSC.Fatigue計算了節(jié)點在風荷載作用下的疲勞壽命;通過對承受風荷載作用的不同幾何參數的節(jié)點的疲勞壽命的討論,得到主分管間夾角θ對節(jié)點的疲勞壽命影響最為顯著。再次,利用譜分析法,將波浪荷載等價為平穩(wěn)隨機過程,利用修正的皮爾遜-莫斯柯維奇譜,建立波浪的功率譜密度函數,計算應力響應功率譜,實現鑄鋼三分叉節(jié)點中的危險點的疲勞壽命評估;基于有限元計算結果,驗算了鑄鋼分叉節(jié)點中的危險點的疲勞強度。得到海況概率較低但波高較大的海況,對結構造成的疲勞損傷占總的疲勞損傷比例較大,危險點疲勞強度安全系數能夠達到3以上。再次,利用等效結構應力法對鑄鋼分叉節(jié)點的環(huán)形對接焊縫進行了疲勞分析。通過等效結構應力場和缺口應力場確定網格不敏感結構應力,并綜合考慮裂紋擴展、缺口應力和疲勞壽命等因素的影響,實現等效結構應力的轉化,再結合主S-N曲線計算焊縫的疲勞循環(huán)次數。在ABAQUS靜力分析的基礎上,利用基于等效結構應力法原理而開發(fā)的有限元分析軟件FE-SAFE/VERITY,對鑄鋼分叉節(jié)點環(huán)形對接焊縫的疲勞壽命進行了計算。得到最危險處的循環(huán)次數為10~(5.711),采用VERITY自動識別焊縫所在的域組可實現多條焊縫或多種破壞模式的分析,等效結構應力法具有網格不敏感性。最后,以疲勞壽命分析原理為基礎,把疲勞約束轉化為應力約束,利用OptiStruct對不同約束方式下的鑄鋼分叉節(jié)點進行了拓撲優(yōu)化分析。得到節(jié)點在豎向荷載和水平荷載兩種不同的約束下,拓撲優(yōu)化的結果具有差異性;節(jié)點在豎向荷載作用下,低應力區(qū)域主要集中在主管和分管上,是優(yōu)化的關鍵部分,而在水平荷載作用下低應力區(qū)域主要分布在三支分管上,分管優(yōu)化的區(qū)域沿著分管環(huán)向不均勻分布。
【圖文】：

第一章 緒論1.1 引言隨著有限元建模技術與鍛造工藝的進步和發(fā)展，鑄鋼節(jié)點在建筑結構領域中的用越來越普遍[1-5]。相對于其他常用的節(jié)點來說，鑄鋼節(jié)點整體澆注成型，可根據節(jié)的受力特性生產出具有復雜外形和內腔的節(jié)點，使節(jié)點的形狀、截面、構造分布合理實現節(jié)點在改善應力分布的同時具有美觀和流線化的外形，，如圖 1-1 所示。同時，體澆注的批量生產可實現鑄鋼節(jié)點的空間分布角度和尺寸精度的準確控制，避免了點在施工現場中相貫線的切割和復雜的焊接工序，極大地減小了焊縫處的殘余應力施工方便快捷，解決了常規(guī)節(jié)點在受力大、構造復雜結構中無法解決的連接問題。

（c）斯圖加特機場的航站樓 （d）倫敦眼圖 1-2 鑄鋼節(jié)點在工程中的應用Fig. 1-2 Application of cast steel joints in Engineering表 1-1 鑄鋼節(jié)點在國內工程的應用實例Table.1-1 Engineering application examples of cast steel joints in China工程名稱 鑄鋼節(jié)點類型 結構形式上海國際博覽中心 鑄鋼相貫節(jié)點 鋼管桁架柔性支撐結構體系深圳文化中心 半空心半實心的鑄鋼相貫節(jié)點 樹狀結構南京奧林匹克體育中心 鑄鋼空心球管節(jié)點 馬鞍形屋面結構天津博物館 拱腳鑄鋼節(jié)點 雙層網殼結構老山自行車館 鑄鋼相貫節(jié)點 空間網殼結構上海浦東國際機場航站樓 鑄鋼相貫節(jié)點 波浪形的鋼屋架
【學位授予單位】：河南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TU391

【參考文獻】

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本文編號：2663876