本文關鍵詞： 鋁合金結構 平板格柵結構 板式節(jié)點 支座節(jié)點 環(huán)槽鉚釘 搭接連接 接觸模型 摩擦系數(shù) 試驗研究 數(shù)值模擬 破壞形態(tài)　出處：《浙江大學》2015年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：板式節(jié)點是單層鋁合金網(wǎng)格結構的重要連接節(jié)點形式,多應用于以薄膜內(nèi)力為主的單層曲面網(wǎng)殼結構中。目前關于此類節(jié)點受力性能和設計方法的研究還非常有限。近年來國內(nèi)一些重要工程開始將板式節(jié)點應用于以受彎為主的平板型屋蓋格柵結構中,這也使得對板式節(jié)點受力性能和承載能力的研究工作變得迫切。本文結合實際工程,對平板型鋁合金格柵結構板式節(jié)點進行了試驗研究和數(shù)值分析,重點調(diào)查該類節(jié)點的工作機理、有限元模擬方法、受力性能和破壞形式。本文工作包括以下五個方面：(1)通過拉伸試驗得到了6061-T6鋁合金材料和304HC不銹鋼材料的力學性能參數(shù),并測定了環(huán)槽鉚釘?shù)念A緊力。對4組12個鋁合金板件環(huán)槽鉚釘搭接連接進行抗剪試驗,發(fā)現(xiàn)該類連接的破壞模式有環(huán)槽鉚釘剪切破壞、板件孔壁承壓破壞、板件頂端縱向撕裂破壞與側邊橫向撕裂破壞四種。在剪力作用下,環(huán)槽鉚釘連接的荷載-位移曲線存在摩擦段、滑移段、承壓段和強化段四個特征階段,可取其彈性段終值作用抗剪承載力設計值,此時極限承載力和設計承載力的比值大約為2.3,且該搭接連接屬于承壓型連接。(2)在環(huán)槽鉚釘連接抗剪試驗的基礎上,借助有限元軟件ABAQUS對該類連接試件的數(shù)值模擬方法進行研究。通過與試驗結果對比,考察了實體單元類型、網(wǎng)格密度、接觸面摩擦系數(shù)大小對數(shù)值模型準確性的影響。根據(jù)擬合結果,建議鋁合金板件間的摩擦系數(shù)取0.25,鋁合金板件與不銹鋼環(huán)槽鉚釘間的摩擦系數(shù)取0.15。指出采用非協(xié)調(diào)實體單元比單純提高網(wǎng)格密度更能有效減小計算值和試驗值的差距。進一步對兩種雙鉚釘搭接連接試件進行試驗測試,同時按上述方法進行有限元分析。發(fā)現(xiàn)試驗結果和有限元計算結果的荷載-位移曲線、宏觀變形形態(tài)和各測點應變值,均能較好的吻合,驗證了本文針對此類搭接連接提出的有限元建模方法的準確性和有效性。(3)結合實際工程,對兩個足尺板式節(jié)點試件進行試驗研究和有限元分析�？疾炝思虞d過程中試件的變形和應力發(fā)展情況、破壞形態(tài)�？梢园l(fā)現(xiàn),由于環(huán)槽鉚釘?shù)念A緊力有限,使得蓋板和工字鋁翼緣板間的摩擦力在加載早期就被克服,兩者之間產(chǎn)生明顯的滑移。測得的滑移量曲線呈現(xiàn)出摩擦段、滑移段和承壓段三個特征階段,鉚桿與鉚孔之間的間隙也與滑移段的滑移量數(shù)值相當。進一步基于環(huán)槽鉚釘搭接連接的有限元建模方法建立整體板式節(jié)點的數(shù)值模型,模擬兩個試件的加載過程。可以發(fā)現(xiàn),有限元計算結果不論是在節(jié)點豎向位移這類宏觀響應指標上,還是在滑移曲線和測點應變曲線等微觀指標上均與試驗結果有很高的吻合度。(4)基于通過可靠性驗證的板式節(jié)點有限元建模方法,對標準板式節(jié)點在典型內(nèi)力工況下的受力性能、破壞形態(tài)進行數(shù)值分析。研究表明,板式節(jié)點的破壞形態(tài)包括工字鋁腹板局部屈曲、工字鋁翼緣薄弱截面強度破壞、蓋板薄弱截面強度破壞三種。節(jié)點各桿件所承受剪力和彎矩的相對大小是影響其承載力的關鍵因素,而桿件存在較大剪力則是誘發(fā)板式節(jié)點易發(fā)生桿端腹板局部屈曲破壞的主因。當單根桿件承受內(nèi)力為彎矩主導(剪彎比小)時,節(jié)點易發(fā)生沿桿件翼緣薄弱截面的強度破壞。而當與節(jié)點相連桿件同時出現(xiàn)較大的彎矩時,則節(jié)點易發(fā)生蓋板薄弱截面的強度破壞。彎矩使得上、下部環(huán)槽鉚釘處于受剪狀態(tài),其中受拉翼緣上受力最不利鉚釘位于最外環(huán)(第5環(huán)),而受壓翼緣上位于最內(nèi)環(huán)(第1環(huán))。同時,剪力的增加會使連接受壓翼緣的鉚釘產(chǎn)生拉力作用,其最不利位置為最內(nèi)環(huán)。(5)對一種典型的板式支座節(jié)點進行了試驗研究和有限元分析。針對該支座節(jié)點同時承受較大彎矩和剪力的特點,提出了一種兩階段加載方法來有效模擬其受力狀態(tài)。研究表明,板式支座節(jié)點的薄弱區(qū)域為沿桿件受拉翼緣鉚釘孔截面,且在該截面處發(fā)生斷裂破壞。加載結束后,蓋板與工字鋁受拉翼緣連接區(qū)域的應力較高,應力傳遞路徑明顯,但分布區(qū)域較窄。相比之下,與受壓翼緣相連的蓋板整體應力水平要低很多。受拉翼緣斷裂截面處的環(huán)槽鉚釘受力最為不利,呈剪切受力狀態(tài),但由于不銹鋼的強度較高,并未出現(xiàn)鉚釘破壞。
[Abstract]:In this paper , the experimental research and numerical analysis are carried out on the load - displacement curve , the stress - bearing capacity and the stress - bearing capacity of the plate - type node . ( 4 ) Based on the plate - type node finite element modeling method verified by reliability , the stress and failure modes of standard plate - type nodes under typical internal forces are analyzed .

【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TU395

【參考文獻】

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1 郭小農(nóng);熊哲;羅永峰;徐晗;邱麗秋;;鋁合金板式節(jié)點彎曲剛度理論分析[J];建筑結構學報;2014年10期

2 郝成新,錢基宏,宋濤,趙鵬飛,趙基達;鋁網(wǎng)架結構的研究與工程應用[J];建筑結構學報;2003年04期

3 趙金城,許洪明;上�？萍拣^單層網(wǎng)殼結構節(jié)點受力分析[J];工業(yè)建筑;2001年10期

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本文編號：1496933