網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是一種高階靜定的新型空間結(jié)構(gòu),由多根桿件按照一定規(guī)律組合,通過(guò)節(jié)點(diǎn)連接成網(wǎng)狀,而節(jié)點(diǎn)處被認(rèn)為是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)受力最為薄弱的地方,其穩(wěn)定性和可靠性與整個(gè)網(wǎng)架建筑的安全息息相關(guān)。螺栓球節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的通用節(jié)點(diǎn)形式之一,其螺紋缺口處的應(yīng)力集中或高溫環(huán)境下力學(xué)特性的變化,都會(huì)影響網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的整體承載力,最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)坍塌。因此,應(yīng)用全螺紋模型研究螺栓球節(jié)點(diǎn)的疲勞缺口應(yīng)力集中及高溫力學(xué)特性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文的研究?jī)?nèi)容主要包括:(1)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)螺栓球節(jié)點(diǎn)常幅疲勞試驗(yàn)研究。對(duì)螺栓球節(jié)點(diǎn)高強(qiáng)度螺栓的常幅疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究,以?_(max)和(35)?為設(shè)計(jì)參量,建立網(wǎng)架結(jié)構(gòu)螺栓球節(jié)點(diǎn)的常幅疲勞設(shè)計(jì)方法。(2)研究螺栓球節(jié)點(diǎn)螺紋缺口對(duì)應(yīng)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(yīng)力狀態(tài)五個(gè)方面進(jìn)行了有限元分析。結(jié)果表明:無(wú)論如何改變螺栓球節(jié)點(diǎn)的規(guī)格參數(shù),最大應(yīng)力都出現(xiàn)在高強(qiáng)度螺栓與螺栓球嚙合的第一個(gè)螺紋牙處;通過(guò)計(jì)算不同情況下的影響系數(shù),得出螺栓球節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)K的通用公式。(3)探索高溫螺栓球節(jié)點(diǎn)的力學(xué)特性變化規(guī)律。分析螺栓球節(jié)點(diǎn)M20和M24的高溫力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù),研究螺栓球節(jié)點(diǎn)屈服載荷和極限載荷的變化規(guī)律,為高溫網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的安全承載提供試驗(yàn)和數(shù)據(jù)支撐。通過(guò)ABAQUS對(duì)螺栓球節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析,研究發(fā)現(xiàn):高溫螺栓球節(jié)點(diǎn)的破壞均位于螺栓螺紋處,當(dāng)溫度T≤300℃時(shí),力學(xué)特性總體變化不大;當(dāng)溫度T300℃時(shí),屈服載荷和極限載荷都有明顯的下降;當(dāng)溫度T700℃后,螺栓球節(jié)點(diǎn)基本失去承載能力。結(jié)果表明溫度對(duì)螺栓球節(jié)點(diǎn)力學(xué)特性有較大影響,建議其工作溫度不超過(guò)300℃。(4)基于斷裂力學(xué)理論預(yù)估螺栓球節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命。螺栓球節(jié)點(diǎn)的疲勞破壞首先發(fā)生在高強(qiáng)度螺栓上,利用高強(qiáng)度螺栓的試驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)估螺栓球節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命。通過(guò)改變初始裂紋長(zhǎng)度和材料的斷裂韌性,計(jì)算高強(qiáng)度螺栓的疲勞壽命,理論值與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合,平均誤差在30%左右,說(shuō)明利用斷裂力學(xué)理論計(jì)算高強(qiáng)度螺栓的疲勞壽命精度較高,該研究方法對(duì)螺栓球節(jié)點(diǎn)的壽命預(yù)估具有一定的借鑒意義。
【學(xué)位單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TH131.3
【部分圖文】：

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

等特點(diǎn)在各大鋼結(jié)構(gòu)建筑中使用非常普遍。螺栓1.2 和圖 1.3 所示，包括高強(qiáng)度螺栓、開(kāi)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(qiáng)度螺栓緊固螺釘圖 1.2 螺栓球節(jié)點(diǎn)

各桿件的連接部位，節(jié)點(diǎn)處受力狀態(tài)復(fù)雜，而且多為交變載荷，其疲勞特性的研究歷來(lái)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的發(fā)展息息相關(guān)。國(guó)外學(xué)者主要對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)螺栓球節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了大量的研究。Gioncu[31]考慮剛接和鉸接下螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)承載力的變化，分析了網(wǎng)殼類型、節(jié)點(diǎn)剛度、載荷分布等對(duì)網(wǎng)殼屈曲的影響。Kato[32]對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)剛度進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究結(jié)果表明螺栓球節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的承載力成正比，即增大節(jié)點(diǎn)剛度會(huì)提高網(wǎng)殼的承載力水平。Chenaghlou[33]利用有限元方法對(duì)螺栓球節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)能力和受力性能進(jìn)行了研究，提出了節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角曲線的理論，并將該方法應(yīng)用到單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析中。斷裂力學(xué)的發(fā)展為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)疲勞特性的研究提供了新的思路。國(guó)內(nèi)學(xué)者徐國(guó)彬、馮秀娟、楊旭等[34-36]應(yīng)用斷裂力學(xué)理論研究了高強(qiáng)度螺栓的疲勞特性，對(duì) 40C高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行了常幅拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明疲勞斷裂是拉力狀態(tài)下螺栓球節(jié)點(diǎn)高強(qiáng)度螺栓的主要破壞形式，高強(qiáng)度螺栓受疲勞影響十分明顯，利用熱點(diǎn)應(yīng)力幅建立常幅疲勞設(shè)計(jì)方法更為準(zhǔn)確合理。通過(guò)疲勞破壞試點(diǎn)繪制 S-N 曲線，并對(duì)破壞斷口進(jìn)行了微觀分析，如圖 1.4 所示。

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