钢管内置刚性节点承载力与实用计算方法研究
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在模型中,垫 板 与 十 字 插 板,以 及 二 者 与 螺 帽 之间、螺杆与孔壁之 间 需 要 考 虑 接 触 分 析,在 ANSYS中通过 定 义 目 标 面 和 接 触 面 来 实 现,为 了 避 免 矩 阵 的 奇 异 ,模 型 中 各 个 接 触 面 的 网 格 尺 寸 划 分 时应保持接近。建立的接触对有螺杆与孔壁之间, 插板与 垫 板 之 间,目 标 面 采 用 Target170 单 元 定 义,接 触 面 采 用 Contact174 单 元 定 义,设 置 各 个 接 触 面 之 间 的 初 始 几 何 间 隙 为 零 ,接 触 类 型 为 库 伦 摩 擦 ,摩 擦 系 数 取 0.3[16-18]。
大 因 素 ,并 表 明 在 内 插 板 与 钢 管 连 接 处 应 力 集 中 严 重 ,节 点 设 计 时 应 考 虑 剪 力 滞 后 效 应 影 响 。 可
为相关工程设计提供参考。
关键词: 钢管;刚性节点;内置螺栓连接;有限元分析;试验
中图分类号: TU392.304
文献标识码: A
0引 言
钢管由于具 有 截 面 封 闭、受 力 性 能 优 异、轻 巧 美 观 、经 济 效 益 好 等 优 点 ,广 泛 用 于 海 洋 平 台 、工 业 厂房、房屋建筑等建设 中 。 [1-2] 目 前 钢 管 之 间 的 拼 接方式 主 要 分 成 现 场 直 接 焊 接 和 [3-5] 螺 栓 连 接。 现 场 焊 接 连 接 对 工 人 技 术 要 求 高 ,而 且 部 分 钢 管 由 于管径较大,需要 仰 焊,焊 缝 质 量 难 以 得 到 有 效 的 保证。螺 栓 连 接 中,法 兰 连 接 和 [4-7] 螺 栓 拼 接 连 接 更 [4-5,8] 易满足 预 制 装 配 施 工 工 艺 的 需 要,且 能 获 得 更 好 的 受 力 性 能 ,但 在 外 观 上 形 成 明 显 的 法 兰 盘和连接件,破坏 了 钢 管 的 流 线 美,实 际 工 程 应 用 上受到了限 制。因 此,尚 需 进 一 步 研 究 更 为 便 捷、 高效、美观的钢管拼接构造技术。董石麟等 和 [9] 邢 丽 分 [10] 析了“水 立 方”结 构 矩 形 钢 管、方 钢 管 的 焊 接空心球节点的 力 学 性 能,并 提 出 实 用 计 算 公 式, 丰 富 了 空 间 结 构 刚 性 节 点 的 设 计 理 论 。BlachowskiB 等 针 [11] 对某电信塔的法 兰 连 接 节 点 进 行 了 非 线性有限 元 分 析,该 节 点 由 两 个 法 兰 焊 接 到 钢 管 上,再 用 预 紧 螺 栓 连 接 固 定。SimõesR 等 提 [12] 出 了 一 种 隐 蔽 螺 栓 拼 接 节 点 形 式 ,钢 管 在 接 头 部 位 焊
图1 钢管内置刚性连接
钢管、十字插 板、垫 板 选 用 20 节 点 的 Solid95 单元,螺栓选用 Solid92 单 元。由 于 模 型 形 状 不 规 则 ,网 格 划 分 中 ,首 先 利 用 工 作 平 面 切 割 法 ,将 模 型 切割成多个规则的块体与少量不规则的块体。调 整 网 格 划 分 控 制 参 数 ,受 力 复 杂 部 位 及 重 点 研 究 部 位的单元网格局 部 细 化,划 分 较 为 密 集,次 要 部 位 的单元网 格 划 分 较 稀 疏,这 样 即 可 以 提 升 计 算 效 率 ,也 能 保 证 计 算 精 度 。
比较分析试验与有限元结果。图3给出了荷 载—位移曲线,横 轴 为 节 点 竖 向 位 移,纵 轴 为 竖 向 荷载值。其中图3(a)为压 力 作 用 下 试 件 SJ-3 的 曲 线 ,可 以 看 出 :在 加 载 开 始 阶 段 ,位 移 随 荷 载 的 增 大基本呈线性增 长,然 后 变 为 非 线 性 增 长,这 时 试 件出现整体弯曲 变 形 现 象,到 了 后 期,位 移 保 持 快 速 增 加 ,达 到 破 坏 荷 载 后 ,开 始 快 速 卸 载 。 图 3(b) 为拉力作用 下 试 件 SJ-5 的 曲 线,在 加 载 开 始 阶 段,位移随荷载的 增 大 基 本 呈 线 性 增 长,然 后 变 成 典 型 的 非 线 性 增 长 ,这 时 试 件 进 入 了 塑 性 阶 段 。 当 十 字 插 板 内 插 长 度 足 够 长 时 ,节 点 发 生 钢 管 拉 断 破 坏,在破坏前经历 一 个 非 常 长 的 变 形 发 展 阶 段 后, 节点发生典型的 延 性 破 坏;当 十 字 插 板 较 短 时,节 点 发 生 十 字 插 板 和 钢 管 之 间 的 剪 切 破 坏 ,为 脆 性 破 坏模式。由试 件 von Mises应 力 分 布 图 (图 4)可 知,由于剪力滞后影响 ,钢 [19-20] 管截面 应 力 分 布 不 均 匀 ,在 钢 管 和 十 字 插 板 连 接 部 位 应 力 集 中 严 重 。
1 节点构造及试验
钢管内置刚性连接方式 见 图 1,其 中 焊 接 的 部 分 在 工 厂 制 作 ,到 了 现 场 再 用 螺 栓 连 接 ,操 作 简 单 , 施工速度快,便于 工 厂 标 准 化 制 作,从 而 保 证 节 点 质量,既规避了现 场 焊 接,又 弥 补 了 现 有 螺 栓 连 接 的不足之处,由于 节 点 在 钢 管 内,保 证 了 钢 管 自 身 的 流 线 美 ,因 此 具 有 一 定 的 工 程 应 用 性 。
2
佳 木 斯 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 )
2021 年
2 有限元模型
3 试验与有限元结果对比分析
通过有限元软件 ANSYS展开分析,几何模型 见图1。考虑到节点位置的复 杂 性,内 插 钢 板 与 钢 管采用直 接 固 结 连 接,螺 杆 简 化 为 圆 柱 体 形 状 模 拟 ,其 直 径 与 螺 栓 公 称 直 径 相 同 。
(a)SJ-3
(b)SJ-5
图3 荷载—位移曲线
图4 钢管截面实测 von Mises应力分布图(MPa)
(a)钢 材
(b)高 强 螺 栓
图2 材料应力—应变关系
(a)有 限 元 分 析 结 果
(b)试 验 结 果
图5 压力作用下钢管屈曲破坏
第3期
李 飞 涛 ,等 :钢 管 内 置 刚 性 节 点 承 载 力 与 实 用 计 算 方 法 研 究
钢管内置刚性节点承载力与实用计算方法研究①
李飞涛1黄 超3, 曹庆帅2, 金 海2
(1.安徽理工大学土木建筑学院,安徽 淮南 232001;2.浙大城市学院土木工程系,浙江 杭州 310015; 3.浙江省工业设计研究院,浙江 杭州 310052)
摘 要: 为了探究新型钢管内置刚性节点在轴力作用下的力学性能并得到实用计算公式,建立
槽末端钢管拉坏
SJ-9 1411 1392 37.59 39.19
槽末端焊钢管拉坏
试 验 结 果 汇 总 见 表 1 所 示 。 结 合 图 3 可 知 ,有 限元所得与之吻合良好。但 对 于 试 件 SJ-3,在 由 弹性向塑性的 转 变 阶 段 中 存 在 较 大 偏 差,这 可 能 是由于通过简单拉伸试验获取的本构关系和实际 试件存在偏差所引起。破坏荷载对比结果基本相 同 ,试 验 值 略 大 。 主 要 原 因 是 试 验 试 件 的 钢 管 和 十 字 插 板 通 过 焊 接 连 接 ,而 有 限 元 模 拟 中 直 接 采 用 固 结 连 接 。 此 外 ,材 料 特 性 在 试 件 加 工 时 可 能 会 受 到 影 响 ,试 验 设 备 以 及 测 量 也 有 些 许 误 差 。
3
表1 试验结果与有限元分析对比
试件
极 限 荷 载/kN 试验 有限元
极 限 位 移/mm 试验 有限元
破坏模式
SJ-1 782
765 8.26 8.45
连接部位局部屈曲
SJ-2 791
774 8.81 9.01
连接部位局部屈曲
SJ-3 862
840 11.79 12.5
钢管局部屈曲
SJ-4 740
第39卷 第3期 2021 年 05 月
佳 木 斯 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 )
Vol.39 No.3
JournalofJiamusiUniversity (NaturalScienceEdition) May 2021
文 章 编 号 :1008-1402(2021)03-0001-06
图 5、图 6、图 7 分 别 对 比 列 出 了 不 同 条 件 下 的 有限元分析得到的变形形状与试验破坏形状比较, 即压力作 用 下 钢 管 屈 曲 破 坏、钢 管 正 截 面 拉 断 破 坏、钢管与十字插 板 焊 缝 剪 切 破 坏 三 种 不 同 条 件。 为 了 更 清 楚 地 显 示 结 果 ,此 处 有 限 元 分 析 结 果 放 大 4倍显示。可以看出,该模型较 好 地 模 拟 了 新 节 点 在拉压作用下的力学行为与破坏性状。
718 6.30 6.10
槽边焊缝破坏
SJ-5 1100 SJ-6 1162
1008 1109
39.30 43.63
41.00 46.12
槽 边 焊 缝 破 坏 、钢 管 拉 断 槽 末 端 钢 管 呈 现 颈 缩 ,最 后 拉 断
SJ-7 1316 1307 23.16 21.89
槽边焊缝破坏
SJ-8 1440 1435 41.30 40.47
建模时试件材料本构模型根据实测应力—应 变关系 简 [14] 化为三线 段 模 型 (如 图 2(a)所 示),模 型 中 屈 服 强 度 、抗 拉 强 度 均 采 用 实 测 平 均 值 。 螺 栓 为10.9级,屈服准则采用三直 线 线 性 模 型,见 图 2 (b),屈 服 强 度990 MPa,抗 拉 强 度1160 MPa,弹 性 模 量 200 GPa,泊 松 比 0.3。
接一同直径开孔 钢 管,内 设 内 衬 管,然 后 利 用 螺 栓 使之与开孔 钢 管 连 接。 刘 康 等 提 [8] 出 了 方 钢 管 柱 内套筒单向螺栓柱-柱拼接和对穿螺栓柱-柱拼 接两种节点构造 形 式,拼 接 件 采 用 内 套 筒,紧 固 件 采 用 高 强 螺 栓 、单 向 螺 栓 和 对 穿 螺 栓 。 课 题 组 前 期 提出了一种 钢 管 内 置 刚 性 节 点 ,并 [13-14] 进 行 了 相 关试验研究[14 。 -15] 在 此 基 础 上,建 立 了 精 细 化 有 限 元 模 型 ,进 行 了 参 数 分 析 ,结 合 理 论 研 究 ,最 后 推 导出轴力作用下新型钢管内置刚性节点的实用计 算公式。
详细的试 验 结 果 参 见 文 献 [14,15]。 限 于 篇 幅,仅以试件 SJ-3 和 SJ-5 为 例,并 将 在 第 3 部 分与有限元结果进行分析比较。
① 收稿日期:2021-03-03 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51608478);浙江 省 公 益 技 术 研 究 计 划/工 业 项 目 (LGG20E080004);浙 江 省 空 间 结 构 重 点 实 验 室 开 放 基 金 资 助 项 目 (201804);浙 江 大 学 城 市 学 院 教 师 科 研 基 金 (J-19014)。 作 者 简 介 :李 飞 涛 (1995- ),男 ,浙 江 人 ,硕 士 ,研 究 方 向 :钢 - 混 凝 土 组 合 结 构 节 点 。 通 讯 作 者 :邢 丽 (1976- ),女 ,内 蒙 古 人 ,教 授 ,博 士 ,研 究 方 向 :钢 结 构 节 点 和 钢 - 混 凝 土 组 合 结 构 节 点 。
了精细化有限元模型,通过前期试验证明了该模型受力 可 靠,并 进 行 了 参 数 分 析;推 导 了 基 于 剪
力 滞 后 模 型 的 理 论 解 ,建 立 了 节 点 承 载 力 计 算 公 式 ;结 合 试 验 、有 限 元 和 理 论 研 究 ,建 立 了 轴 力 作
用下新型钢管内置刚性节点的实用计算公式。研究给出了影响新型内置刚性连接节点受力的三
大 因 素 ,并 表 明 在 内 插 板 与 钢 管 连 接 处 应 力 集 中 严 重 ,节 点 设 计 时 应 考 虑 剪 力 滞 后 效 应 影 响 。 可
为相关工程设计提供参考。
关键词: 钢管;刚性节点;内置螺栓连接;有限元分析;试验
中图分类号: TU392.304
文献标识码: A
0引 言
钢管由于具 有 截 面 封 闭、受 力 性 能 优 异、轻 巧 美 观 、经 济 效 益 好 等 优 点 ,广 泛 用 于 海 洋 平 台 、工 业 厂房、房屋建筑等建设 中 。 [1-2] 目 前 钢 管 之 间 的 拼 接方式 主 要 分 成 现 场 直 接 焊 接 和 [3-5] 螺 栓 连 接。 现 场 焊 接 连 接 对 工 人 技 术 要 求 高 ,而 且 部 分 钢 管 由 于管径较大,需要 仰 焊,焊 缝 质 量 难 以 得 到 有 效 的 保证。螺 栓 连 接 中,法 兰 连 接 和 [4-7] 螺 栓 拼 接 连 接 更 [4-5,8] 易满足 预 制 装 配 施 工 工 艺 的 需 要,且 能 获 得 更 好 的 受 力 性 能 ,但 在 外 观 上 形 成 明 显 的 法 兰 盘和连接件,破坏 了 钢 管 的 流 线 美,实 际 工 程 应 用 上受到了限 制。因 此,尚 需 进 一 步 研 究 更 为 便 捷、 高效、美观的钢管拼接构造技术。董石麟等 和 [9] 邢 丽 分 [10] 析了“水 立 方”结 构 矩 形 钢 管、方 钢 管 的 焊 接空心球节点的 力 学 性 能,并 提 出 实 用 计 算 公 式, 丰 富 了 空 间 结 构 刚 性 节 点 的 设 计 理 论 。BlachowskiB 等 针 [11] 对某电信塔的法 兰 连 接 节 点 进 行 了 非 线性有限 元 分 析,该 节 点 由 两 个 法 兰 焊 接 到 钢 管 上,再 用 预 紧 螺 栓 连 接 固 定。SimõesR 等 提 [12] 出 了 一 种 隐 蔽 螺 栓 拼 接 节 点 形 式 ,钢 管 在 接 头 部 位 焊
图1 钢管内置刚性连接
钢管、十字插 板、垫 板 选 用 20 节 点 的 Solid95 单元,螺栓选用 Solid92 单 元。由 于 模 型 形 状 不 规 则 ,网 格 划 分 中 ,首 先 利 用 工 作 平 面 切 割 法 ,将 模 型 切割成多个规则的块体与少量不规则的块体。调 整 网 格 划 分 控 制 参 数 ,受 力 复 杂 部 位 及 重 点 研 究 部 位的单元网格局 部 细 化,划 分 较 为 密 集,次 要 部 位 的单元网 格 划 分 较 稀 疏,这 样 即 可 以 提 升 计 算 效 率 ,也 能 保 证 计 算 精 度 。
比较分析试验与有限元结果。图3给出了荷 载—位移曲线,横 轴 为 节 点 竖 向 位 移,纵 轴 为 竖 向 荷载值。其中图3(a)为压 力 作 用 下 试 件 SJ-3 的 曲 线 ,可 以 看 出 :在 加 载 开 始 阶 段 ,位 移 随 荷 载 的 增 大基本呈线性增 长,然 后 变 为 非 线 性 增 长,这 时 试 件出现整体弯曲 变 形 现 象,到 了 后 期,位 移 保 持 快 速 增 加 ,达 到 破 坏 荷 载 后 ,开 始 快 速 卸 载 。 图 3(b) 为拉力作用 下 试 件 SJ-5 的 曲 线,在 加 载 开 始 阶 段,位移随荷载的 增 大 基 本 呈 线 性 增 长,然 后 变 成 典 型 的 非 线 性 增 长 ,这 时 试 件 进 入 了 塑 性 阶 段 。 当 十 字 插 板 内 插 长 度 足 够 长 时 ,节 点 发 生 钢 管 拉 断 破 坏,在破坏前经历 一 个 非 常 长 的 变 形 发 展 阶 段 后, 节点发生典型的 延 性 破 坏;当 十 字 插 板 较 短 时,节 点 发 生 十 字 插 板 和 钢 管 之 间 的 剪 切 破 坏 ,为 脆 性 破 坏模式。由试 件 von Mises应 力 分 布 图 (图 4)可 知,由于剪力滞后影响 ,钢 [19-20] 管截面 应 力 分 布 不 均 匀 ,在 钢 管 和 十 字 插 板 连 接 部 位 应 力 集 中 严 重 。
1 节点构造及试验
钢管内置刚性连接方式 见 图 1,其 中 焊 接 的 部 分 在 工 厂 制 作 ,到 了 现 场 再 用 螺 栓 连 接 ,操 作 简 单 , 施工速度快,便于 工 厂 标 准 化 制 作,从 而 保 证 节 点 质量,既规避了现 场 焊 接,又 弥 补 了 现 有 螺 栓 连 接 的不足之处,由于 节 点 在 钢 管 内,保 证 了 钢 管 自 身 的 流 线 美 ,因 此 具 有 一 定 的 工 程 应 用 性 。
2
佳 木 斯 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 )
2021 年
2 有限元模型
3 试验与有限元结果对比分析
通过有限元软件 ANSYS展开分析,几何模型 见图1。考虑到节点位置的复 杂 性,内 插 钢 板 与 钢 管采用直 接 固 结 连 接,螺 杆 简 化 为 圆 柱 体 形 状 模 拟 ,其 直 径 与 螺 栓 公 称 直 径 相 同 。
(a)SJ-3
(b)SJ-5
图3 荷载—位移曲线
图4 钢管截面实测 von Mises应力分布图(MPa)
(a)钢 材
(b)高 强 螺 栓
图2 材料应力—应变关系
(a)有 限 元 分 析 结 果
(b)试 验 结 果
图5 压力作用下钢管屈曲破坏
第3期
李 飞 涛 ,等 :钢 管 内 置 刚 性 节 点 承 载 力 与 实 用 计 算 方 法 研 究
钢管内置刚性节点承载力与实用计算方法研究①
李飞涛1黄 超3, 曹庆帅2, 金 海2
(1.安徽理工大学土木建筑学院,安徽 淮南 232001;2.浙大城市学院土木工程系,浙江 杭州 310015; 3.浙江省工业设计研究院,浙江 杭州 310052)
摘 要: 为了探究新型钢管内置刚性节点在轴力作用下的力学性能并得到实用计算公式,建立
槽末端钢管拉坏
SJ-9 1411 1392 37.59 39.19
槽末端焊钢管拉坏
试 验 结 果 汇 总 见 表 1 所 示 。 结 合 图 3 可 知 ,有 限元所得与之吻合良好。但 对 于 试 件 SJ-3,在 由 弹性向塑性的 转 变 阶 段 中 存 在 较 大 偏 差,这 可 能 是由于通过简单拉伸试验获取的本构关系和实际 试件存在偏差所引起。破坏荷载对比结果基本相 同 ,试 验 值 略 大 。 主 要 原 因 是 试 验 试 件 的 钢 管 和 十 字 插 板 通 过 焊 接 连 接 ,而 有 限 元 模 拟 中 直 接 采 用 固 结 连 接 。 此 外 ,材 料 特 性 在 试 件 加 工 时 可 能 会 受 到 影 响 ,试 验 设 备 以 及 测 量 也 有 些 许 误 差 。
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表1 试验结果与有限元分析对比
试件
极 限 荷 载/kN 试验 有限元
极 限 位 移/mm 试验 有限元
破坏模式
SJ-1 782
765 8.26 8.45
连接部位局部屈曲
SJ-2 791
774 8.81 9.01
连接部位局部屈曲
SJ-3 862
840 11.79 12.5
钢管局部屈曲
SJ-4 740
第39卷 第3期 2021 年 05 月
佳 木 斯 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 )
Vol.39 No.3
JournalofJiamusiUniversity (NaturalScienceEdition) May 2021
文 章 编 号 :1008-1402(2021)03-0001-06
图 5、图 6、图 7 分 别 对 比 列 出 了 不 同 条 件 下 的 有限元分析得到的变形形状与试验破坏形状比较, 即压力作 用 下 钢 管 屈 曲 破 坏、钢 管 正 截 面 拉 断 破 坏、钢管与十字插 板 焊 缝 剪 切 破 坏 三 种 不 同 条 件。 为 了 更 清 楚 地 显 示 结 果 ,此 处 有 限 元 分 析 结 果 放 大 4倍显示。可以看出,该模型较 好 地 模 拟 了 新 节 点 在拉压作用下的力学行为与破坏性状。
718 6.30 6.10
槽边焊缝破坏
SJ-5 1100 SJ-6 1162
1008 1109
39.30 43.63
41.00 46.12
槽 边 焊 缝 破 坏 、钢 管 拉 断 槽 末 端 钢 管 呈 现 颈 缩 ,最 后 拉 断
SJ-7 1316 1307 23.16 21.89
槽边焊缝破坏
SJ-8 1440 1435 41.30 40.47
建模时试件材料本构模型根据实测应力—应 变关系 简 [14] 化为三线 段 模 型 (如 图 2(a)所 示),模 型 中 屈 服 强 度 、抗 拉 强 度 均 采 用 实 测 平 均 值 。 螺 栓 为10.9级,屈服准则采用三直 线 线 性 模 型,见 图 2 (b),屈 服 强 度990 MPa,抗 拉 强 度1160 MPa,弹 性 模 量 200 GPa,泊 松 比 0.3。
接一同直径开孔 钢 管,内 设 内 衬 管,然 后 利 用 螺 栓 使之与开孔 钢 管 连 接。 刘 康 等 提 [8] 出 了 方 钢 管 柱 内套筒单向螺栓柱-柱拼接和对穿螺栓柱-柱拼 接两种节点构造 形 式,拼 接 件 采 用 内 套 筒,紧 固 件 采 用 高 强 螺 栓 、单 向 螺 栓 和 对 穿 螺 栓 。 课 题 组 前 期 提出了一种 钢 管 内 置 刚 性 节 点 ,并 [13-14] 进 行 了 相 关试验研究[14 。 -15] 在 此 基 础 上,建 立 了 精 细 化 有 限 元 模 型 ,进 行 了 参 数 分 析 ,结 合 理 论 研 究 ,最 后 推 导出轴力作用下新型钢管内置刚性节点的实用计 算公式。
详细的试 验 结 果 参 见 文 献 [14,15]。 限 于 篇 幅,仅以试件 SJ-3 和 SJ-5 为 例,并 将 在 第 3 部 分与有限元结果进行分析比较。
① 收稿日期:2021-03-03 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51608478);浙江 省 公 益 技 术 研 究 计 划/工 业 项 目 (LGG20E080004);浙 江 省 空 间 结 构 重 点 实 验 室 开 放 基 金 资 助 项 目 (201804);浙 江 大 学 城 市 学 院 教 师 科 研 基 金 (J-19014)。 作 者 简 介 :李 飞 涛 (1995- ),男 ,浙 江 人 ,硕 士 ,研 究 方 向 :钢 - 混 凝 土 组 合 结 构 节 点 。 通 讯 作 者 :邢 丽 (1976- ),女 ,内 蒙 古 人 ,教 授 ,博 士 ,研 究 方 向 :钢 结 构 节 点 和 钢 - 混 凝 土 组 合 结 构 节 点 。
了精细化有限元模型,通过前期试验证明了该模型受力 可 靠,并 进 行 了 参 数 分 析;推 导 了 基 于 剪
力 滞 后 模 型 的 理 论 解 ,建 立 了 节 点 承 载 力 计 算 公 式 ;结 合 试 验 、有 限 元 和 理 论 研 究 ,建 立 了 轴 力 作
用下新型钢管内置刚性节点的实用计算公式。研究给出了影响新型内置刚性连接节点受力的三