網(wǎng)架結構是一種高階靜定的新型空間結構,由多根桿件按照一定規(guī)律組合,通過節(jié)點連接成網(wǎng)狀,而節(jié)點處被認為是網(wǎng)架結構受力最為薄弱的地方,其穩(wěn)定性和可靠性與整個網(wǎng)架建筑的安全息息相關。螺栓球節(jié)點作為網(wǎng)架結構的通用節(jié)點形式之一,其螺紋缺口處的應力集中或高溫環(huán)境下力學特性的變化,都會影響網(wǎng)架結構的整體承載力,最終導致結構坍塌。因此,應用全螺紋模型研究螺栓球節(jié)點的疲勞缺口應力集中及高溫力學特性具有重要的現(xiàn)實意義。本文的研究內(nèi)容主要包括:(1)網(wǎng)架結構螺栓球節(jié)點常幅疲勞試驗研究。對螺栓球節(jié)點高強度螺栓的常幅疲勞試驗數(shù)據(jù)進行分析研究,以?_(max)和(35)?為設計參量,建立網(wǎng)架結構螺栓球節(jié)點的常幅疲勞設計方法。(2)研究螺栓球節(jié)點螺紋缺口對應力集中的影響。從螺紋升角、螺栓直徑、栓-球直徑比、螺紋牙底圓角半徑和多向應力狀態(tài)五個方面進行了有限元分析。結果表明:無論如何改變螺栓球節(jié)點的規(guī)格參數(shù),最大應力都出現(xiàn)在高強度螺栓與螺栓球嚙合的第一個螺紋牙處;通過計算不同情況下的影響系數(shù),得出螺栓球節(jié)點應力集中系數(shù)K的通用公式。(3)探索高溫螺栓球節(jié)點的力學特性變化規(guī)律。分析螺栓球節(jié)點M20和M24的高溫力學試驗數(shù)據(jù),研究螺栓球節(jié)點屈服載荷和極限載荷的變化規(guī)律,為高溫網(wǎng)架結構的安全承載提供試驗和數(shù)據(jù)支撐。通過ABAQUS對螺栓球節(jié)點進行有限元分析,研究發(fā)現(xiàn):高溫螺栓球節(jié)點的破壞均位于螺栓螺紋處,當溫度T≤300℃時,力學特性總體變化不大;當溫度T300℃時,屈服載荷和極限載荷都有明顯的下降;當溫度T700℃后,螺栓球節(jié)點基本失去承載能力。結果表明溫度對螺栓球節(jié)點力學特性有較大影響,建議其工作溫度不超過300℃。(4)基于斷裂力學理論預估螺栓球節(jié)點的疲勞壽命。螺栓球節(jié)點的疲勞破壞首先發(fā)生在高強度螺栓上,利用高強度螺栓的試驗數(shù)據(jù)預估螺栓球節(jié)點的疲勞壽命。通過改變初始裂紋長度和材料的斷裂韌性,計算高強度螺栓的疲勞壽命,理論值與試驗結果基本吻合,平均誤差在30%左右,說明利用斷裂力學理論計算高強度螺栓的疲勞壽命精度較高,該研究方法對螺栓球節(jié)點的壽命預估具有一定的借鑒意義。
【學位單位】：蘭州理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TH131.3
【部分圖文】：

間網(wǎng)架結構的主要組成部分，節(jié)點起著支撐和連接多變，影響因素眾多，其力學特性的研究一直是鋼結構建筑的長遠發(fā)展[6]。節(jié)點形式多樣，到目已有上百種，但很多節(jié)點都因安裝不便、施工復見的有焊接空心球節(jié)點、螺栓球節(jié)點、焊接鋼板節(jié)適用于鋼管桿件類的網(wǎng)架結構，螺栓球節(jié)點適用構，焊接鋼板節(jié)點可用于兩向網(wǎng)架和由四角錐體大，有些節(jié)點處的耗鋼量高達整體鋼用量的五分分[9]。采用焊接空心球節(jié)點和螺栓球節(jié)點。焊接結構強造成了其對脆性斷裂、疲勞破壞和應力腐蝕等都材料的部分力學特性，在焊縫處容易產(chǎn)生各類缺大的應力集中，影響網(wǎng)架結構的承載能力，降低焊全承載埋下隱患，另外現(xiàn)場焊接工作量過大，也]。焊接空心球節(jié)點結構如圖 1.1 所示。

等特點在各大鋼結構建筑中使用非常普遍。螺栓1.2 和圖 1.3 所示，包括高強度螺栓、開有螺紋口的螺緊固螺釘、鋼管，錐頭或封板焊接在鋼管的端部，螺螺栓球[15]，由于圓孔較小，螺帽被卡在錐頭內(nèi)部。套筒錐頭鋼管 封板螺栓球高強度螺栓緊固螺釘圖 1.2 螺栓球節(jié)點

各桿件的連接部位，節(jié)點處受力狀態(tài)復雜，而且多為交變載荷，其疲勞特性的研究歷來是結構設計的重點，與網(wǎng)架結構的發(fā)展息息相關。國外學者主要對網(wǎng)殼結構螺栓球節(jié)點進行了大量的研究。Gioncu[31]考慮剛接和鉸接下螺栓球節(jié)點網(wǎng)殼結構承載力的變化，分析了網(wǎng)殼類型、節(jié)點剛度、載荷分布等對網(wǎng)殼屈曲的影響。Kato[32]對網(wǎng)殼結構的節(jié)點剛度進行了大量的試驗研究結果表明螺栓球節(jié)點的轉動剛度與網(wǎng)殼結構的承載力成正比，即增大節(jié)點剛度會提高網(wǎng)殼的承載力水平。Chenaghlou[33]利用有限元方法對螺栓球節(jié)點的轉動能力和受力性能進行了研究，提出了節(jié)點彎矩-轉角曲線的理論，并將該方法應用到單層網(wǎng)殼結構的穩(wěn)定性分析中。斷裂力學的發(fā)展為網(wǎng)架結構疲勞特性的研究提供了新的思路。國內(nèi)學者徐國彬、馮秀娟、楊旭等[34-36]應用斷裂力學理論研究了高強度螺栓的疲勞特性，對 40C高強度螺栓進行了常幅拉伸試驗，結果表明疲勞斷裂是拉力狀態(tài)下螺栓球節(jié)點高強度螺栓的主要破壞形式，高強度螺栓受疲勞影響十分明顯，利用熱點應力幅建立常幅疲勞設計方法更為準確合理。通過疲勞破壞試點繪制 S-N 曲線，并對破壞斷口進行了微觀分析，如圖 1.4 所示。

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本文編號：2829078