焊接空心球节点承载能力的有限元分析

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矩形钢管焊接空心球节点的有限元分析

进一步通过有限元分析考察其承载能力的影响因素，特别对管边长与球径之比／－￣／ｏ不同的节点，通过对大量计算结果的
拟合分析，对现有承载力计算公式提出了改进。关键词：焊接空心球节点；矩形钢管；承载能力；有限元分析
中图分类号：Ｕ９．Ｔ３２３文献标识码：Ａ文章编号：０８—１３（００００４— ４１０９３２１）３— ４０
Ｆｎｔｌｎｎｌｓｆｈｅｄｄｈｌｗｓｈｒａｉｔｃｎｅｔｄｗｉｉｉｅｍｅｔａｙｉｏｅｗｌｅｏｌｐｅｉｌｏｎｓｏｎｃｅｔｅｅａｓｔｏｃｊｈ
ｒｃａｇｌｒｓｅｌｔｂｓｅｔｎｕａｔｅｕｅ
ｎｗｒｏｅｄｓｇｑａｉｎｒｂｍｎｄｅｆｍｓｆｒｔｅｉｎｅｕｔｓａｅｏｔｅ．ｏｈｏ
Ｋｅｏｄ：ｅｅｏｏｐｅｃｉｔ；ｃｎｕｒｔｅｔｂｓｌａ－ａｒｎａａｉ；ｎｔｅｍｎａｓｙｗｒｓｗｌｄｈｌｗｓｈｒａｊｎｓｒｔｇｌｅｌｕ；ｄｃｒｉｇｃｐｃｔｆｉｌｅｔｌｉｄｌｉｌｏｅａａｓｅｏｙｙｉｅｅｎａｙｓ
能与承载能力的研究均针对配合圆钢管的节点，我国网架规程、网壳规程刮也只给出了轴力作用下圆钢管焊接球节点的设计公式，且仍有研究提出各而种新的计算公式。而对于矩形钢管的焊接空心球节点承载力计算的研究才刚刚起步，缺少可供工程更

斜交网格结构空间相贯焊接节点承载力有限元分析

一嚼一
（Ｊ９９Ｊ７９３４５０ｂ
ａ凹面．一凸面；一接接板ｂｃ
图６工况Ｐ１ … ＰｅＰ下Ｍｉｓ力ＭＰｓ应ｅａ
根据整体分析计算得知，该节点最大设计荷载值
为：力，２７３ｋ拉力，１６４ｋ压３４．Ｎ；一０Ｎ。节点设计承
Ｌｉｉｎｇｇａｎｇ＇Ｑ
ＤｕＱｉｎｎｑｉ
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（．ｈｅｙｎｉｎｈｉｅｓｔ１ＳｎａｇＪａｚｕＵｎｖｒｉｙ，Ｓｎａｇ１０】８Ｃｈｎｈｅｙｎ１６，ｉａ；
化理论。
正面
经分析得各种Ｔ况的承载力设计值见表１。在Ｐ一Ｐ。一Ｐ、Ｐ一Ｐ。一Ｐ两种］况作用下，＿节点
２２有限元模型建立．
中心区凹面首先达到钢材强度设计值，图４所示；如同样在Ｐ一Ｐ且Ｐ。、一０Ｐ一一Ｐ且Ｐ一０工况作
到钢材强度设计值，凸面应力值还处于较小状态，而
如图５所示。说明由于节点的空间构造形式使节点
在这些］况下存在明显平面外弯矩作用。在Ｐ＝二
一
Ｐ一Ｐ工况作用下，。节点应力最大值出现在横向
２１节点构造．
ＳＳ村该塔典型节点进行有限元分析，Ｙ以确定节点

大型焊接空心球节点的多轴加载有限元分析与足尺试验

按有限元分析结果，布置电阻应变片应变测试应变，如图 5―图 6 所示，杆件应变片在中央区段 1/2 圆周上对称布置 2 个，共计单向应变片 20 个， 45°直角应变花 32 个。采用机电百分表测量支座底板的 x 向和 y 向水平位移。
(a) P1.6 设节点应力云图 (b) P1.6 分下节点应力云图图 4 荷载 P1.6 设、P1.6分下节点应力云图
Abstract: In accordance with the need of designing large welded hollow spherical joints (WHSJ) of an arch steel roof in a gymnasium, a finite element nonlinear analysis and a full-scale experiment on the joint are carried out. The WHSJ connects two cables and twelve bars, three of which are overlapped. Through the finite element analysis, the distribution of surface stress of the joint was obtained; the bars were found yielding at their bottoms in the overlapped area under 1.4 times of the designed loads. Full-scale experimental research also indicated that the stress at the bottom of the ninth bar reached the yielding strength under 1.4 times of the designed loads. The result of the experiment is basically consistent with the analysis results. The study can provide references for the design of engineering joints. Key words: steel structure; welded hollow spherical joint; full-scale experiment; finite element analysis;

双肋焊接空心球受压极限承载力有限元分析

Ｎｔ０５ ≤ ．５
／
，
形；网格划分控制单元边长，钢球与钢管交接附近缩小控制尺寸，
获得较高的精确度；采用多线性等向强化准则，规定材料进入塑
性变形以后，加载曲面在各方向均匀地向外扩张，而其形状、中心及其在应力空间的方位保持不变；合线性搜索技术（ｊ结ＬｅｎＳａｈ、ｅｒ）应力预测（ｒｉｏ）ｃＰｅｃｒ等加速收敛技术。材料采用国内常ｄｔ见的钢材０４。文中采用的应力应变曲线如图２所示。对于３５
式为强度破坏，以承载力与钢材抗拉强度厂关；所有而受压时，节点的破坏形式为稳定破坏。载力仅与钢管外径ｄ、体外径Ｄ承球及球体壁厚￡等几何尺寸有关，而与钢材抗拉设计强度厂无关。ＪＪ６ —０３网壳结构技术规程中提出了焊接空心球节点的Ｇ１０２计算公式：
维普资讯
・
６・６
第３卷第６期２２００６年３月
山西建筑
ＳＨＡＮＸＩＡＲＣＨＩＴＥＣ瓜Ｅ
Ｖ０＿２Ｎｏ６ｌ３．Ｍａ．２０６Ｏ —０６０１０ —８５２０）６０６ —２
，Ｊ、
≤ 【．＋．苦） ’ ０２０３６。
其中，，为球体的抗拉压承载力。上述公式的适用范围为
Ｄ０ｌ， ≤９０ｉｎ认为球体在满足一定的构造条件下（ｔ５，ｎＤ／≤３）拉１２破坏准则．压破坏均属于强度破坏。以两者采用了同样的计算公式，与所均焊接空心球体受压时，于构造不同，由发生稳定破坏或强度

空间网架焊接空心球节点承载力研究

ｓｐｈｅｒｅｊｏｉｎｔｕｎｄｅｒｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ
第３期
秦力一等空间网架焊接空心球节点承载力研究
２７
图５球节点变形分布图（拉）Ｆｉｇ．５Ｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅ
ｓｐｈｅｒｅｊｏｉｎｔｉｎｔｅｎｓｉｏｎ
（２）计算数值表明，该区域的点同时存在经向与纬向应力——处于三向复杂应力状态．受拉球节点壳面经向全为拉应变，受压则壳面经向全为压应变，这与试验现象相吻合．当施加荷载达到预设极限荷载（试验值）的４０％左右，焊趾处已出现屈服线，此时远离焊趾处球面应力仍不大．
本文试用了三种类型回归模式对部分试验数据拟合以期得出逼近度较好的算式：
（１）Ｎｃ＝口·ｔ·ｄ＋ｃ，
１
（２），ｖ。＝口‘ｔ‘ｄ＋ｂｉＩｔ＋ｃ，
（３）Ⅳｃ：等·口＋ｂ
经回归分析的结果比较表明：几种模式模拟承载力与各因素间关系的逼近程度都相当好，其中模式（１）形式较为简洁．将Ⅳ，和斑分别设为随机变量和变量，经一元线性回归分析后可得
效宽度，取２ｗ＝１０旦／３ｔ；上，考虑到实际焊缝情况较复杂，且焊缝强度要
低于球壳材料，经数据统计分析后２ｗ取以上值．
３焊接空心球节点受压承载力分析
焊接空心球节点受压承载力计算公式也较为繁多．但作为经验公式，统计基础尚不充分，不少公式与试验数据的拟合程度偏差过大．一些有限元计算分析结果与球壳试验结果【４儿５Ｊ都表明：受压球壳与受拉球壳的破坏机理有所区别．受拉情况下，球壳破坏机理主要表现为冲切强度失效；而受压工况下破坏，冲压过程伴有失稳，为弹塑性压屈破坏．在轴向受压荷载下，球面管周焊趾附近区域较大的经向及环向压应力引起该区域较大的塑性变形，壳面压屈下陷而有局部失稳现象发生．ＡＮＳＹＳ计算图形分析的最后破坏形态也呈现明显的弹塑性压曲破坏现象．

焊接空心球节点在轴力作用下的承载力计算

１焊接空心球节点轴压试验
由于影响焊接空心球节点在轴力作用下的承载力的因素很多，国内很多
学者都对其进行了试验研究。
１．１试验描述
周学军ｌ引
７
８
５００
５５０５５０６５０８００
薛万里【】
２
３４５６
３００
４００４００２５０５００
８
１４１４８１６
１０２
ｌ５０１５０１０８２ｌ９
３６２７
２９８６３６４６２８０３６０
２影响焊接空心球节点在轴力作用下的承载力的因素
试验结果表明，影响焊接空心球节点在轴力作用下的承载力的因素很多，主要有：焊接空心球的直径和壁厚、钢管的直径以及钢材的屈服强度等。
２．１焊接空心球的直径的影响
分析表１中的试件１Ｏ～ｌ３，相对于试件１Ｏ，试件１１～１３的混凝土强度提高，连接件极限承载力分别提高了。从图２可以看出，连接件的承载力随着混凝土
这些试验结果回归出了焊接空心球节点在轴力作用下的承载力的计算表达式。关键词：焊接空心球节点；空间结构；轴压试验；极限承载力
焊接空心球节点（图１）是由两个经过钢板冲压而成的半球焊接形成，现已成为空间结构中一种重要的节点形式，并广泛应用。这种节点的构造和受力简单明确，便于与任意方向杆件连接，是在节点交汇杆件较多时优势更加明

钢管桁架人行天桥大型焊接空心球支座节点分析

钢管桁架人行天桥大型焊接空心球支座节点分析钢管桁架人行天桥大型焊接空心球支座节点分析38桥梁结构城市道桥与防洪2011年11月第11期钢管桁架人行天桥大型焊接空心球支座节点分析陈海斌,陈伟,郑文杰(1.广东省建筑设计研究院,广东广州510010;2.华南理工大学,广东广州510641)摘要:针对大型焊接空心球在珠江新城钢桁架人行天桥支座节点的首次应用,对其采用有限元软件FEA进行分析,得到该节点在正常使用状态下的应力分布规律以及节点的极限承载能力,为大型焊接空心球节点在工程上的应用提供了可靠的理论依据,并对这类节点的设计提出了建议.关键词:钢桁架;焊接空心球节点;弹塑性中图分类号:U448.11文献标识码:B文章编号:1009—7716(2011)11—0038—030引言2010年11月,亚运会在中国广州举办.珠江新城4座人行天桥工程是亚运会珠江新城核心区市政交通配套项目之一,现已竣工.天桥主桥结构采用上承式空间钢管桁架结构,主梁横断面为带花槽的倒梯形断面.空间钢管桁架结构外形通透, 立体空间感强,新颖美观,用钢量少,作为城市人行天桥,为城市建设增加了不少美感和特色.花城大道东人行天桥为珠江新城4座人行天桥的其中1座,本文以其为代表展开论述.1结构总体布置花城大道东人行天桥位于花城大道与珠江大道东相交处,为满足花城大道两侧广场和公园方向行人过街而设置.人行天桥平面整体呈A字形,一字式跨越花城大道隧道,梯道位置平行于花城大道,布置在主桥东西两侧与公园处,并设置上行自动扶梯.天桥主桥上部结构为多跨钢桁架连续梁,U型段展开后跨径组合为:28.309m+37.035m+收稿日期:2011-06—23作者简介:陈海斌(1978一),男,广东海丰人,工程师,从事桥梁结构设计工作.34.619m+27.184m+35.170m;一字型段跨径为46.81m,采用平行弦桁架,上下弦钢管中心间距为2.0m.主桥桥面宽度为5.0m,桥面铺装采用压型钢板组合结构.上弦杆采用3根中299×14 的无缝钢管,下弦为2根325×16无缝钢管,腹杆采用127×10无缝钢管.各杆件之间采用全熔透焊缝,且支管和主管的连接无偏心.钢桁架端部采用外包钢箱,以便于搭接梯道及支座传力.钢桁架人行天桥的立面和断面布置见图1,图2.考虑到景观要求,钢桁架与下部结构连接时采用焊接空心球支座节点球进行过渡,有效地减少了墩柱和盖梁等影响景观的构件数量.焊接空心球直径为900mm,壁厚为30mm,加劲肋钢板厚度为30mm,4根节点连接杆直径为325mm, 壁厚为20mm,见图3.2焊接空心球节点分析2.1研究现状空间结构中焊接空心球节点以构造简单,连接方便等优点得到了广泛应用.20世纪70年代以来,国内外对焊接空心球节点的静力性能做过不少理论与试验研究,提出了一些承载力计算经验公式『l_5】.对超大直径fD≥500mm)焊接空心球!全!舍:全:舍:舍:全:舍:全:全:舍::全:;\=/;\=;\=:,1.,:0.05m,满足要求;竖向最大变形为0.04m,满足要求.构竖向变形及平面内稳定性的影响.,1嬉{五(4)使用阶段风荷载对结构平面外稳定性的叶.目口影响.目前运石河拱管桥已投人使用,且运营良好.(5)通过计算结果可知,正常使用极限状态时结合软件计算结果和工程设计实践,在对拱管桥组合5对拱管桥的拱脚反力和变形较为不利,在结构设计时,需注意以下几点:工程设计时应注意此工况对结构的影响.(1)拱脚基础不均匀沉降对拱脚反力及竖向变形的影响.(2)升降温差对结构内力及竖向变形的影响.(3)试用阶段半管水及使用阶段满管水对结参考文献[1]公路桥涵设计手册编写组编.公路设计手册拱桥(上,下册)【M】.北京:人民交通出版社,1978.【2】范立础主编.桥梁工程(下册)[M].北京:人民交通出版社.2011年11月第11期城市道桥与防洪桥梁结构39点\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/点罴i,,花城大道东地面辅道……’’……一[二|城大道]【一]图1天桥立面布置图(单位:cm)图2天桥断面布置图(单位:cmJI图3焊接空心球支座节点构造图【单位:mm) 节点,目前的理论研究滞后于工程应用,我国现行的《网架结构设计与施工规程》(JGJ7—91)中提出了仅适用于直径小于500mm的焊接空心球的计算公式,即=0.55叼dNo=仇f40od一13.31式中,和Ⅳc分别为受拉和受压承载力.由于大直径焊接空心球节点多向同时加载的研究较少, ,实际中缺乏可参考数据.在亚运工程工期相当紧张的前提下,如进行节点的荷载试验,将花费较多的时间,无法保证工程的按期完成,因此工程设计时采用有限元软件对焊接球节点进行细部分析, 以满足工程需要.2.2有限元分析2.2.1有限元模型的建立有限元模型建立采用有限元软件FEA中的4 节点四面体单元对该节点进行受力分析.网格划分采用自动网格划分的方法进行划分.整个模型共分为40143个单元,12971个节点,见图4.分析时,约束支座底面所有自由度,不计残余应力和节点区焊缝对节点极限承载力的影响.2.2.2正常使用极限状态应力分析节点焊接球受力状态比较复杂,属于空间受力范畴.由钢桁架人行天桥整体分析得到的焊接空心球连接杆的轴力如表1所示.图4焊接空心球支座节点有限元模型4O桥梁结构城市道桥与防洪2011年11月第11期表1焊接空心球连接杆轴力分析结果表明,焊接空心球节点与连接杆交界面处的应力集中现象比较严重,该处的范梅赛斯最大应力为101.353MPa.本文还给出了无加劲肋时焊接空心球节点的应力,此时的范梅赛斯最大应力为169.591MPa.详见图5,图6.肼1接点晰姑榆,擅折”,.LO-$OLI~,l一?前№塞—fPtc1盅#坐靛图5焊接空心球应力(有加劲肋)i垂;嘴梅№_)球(I)s吡D.vd…筢悔蜊【0c.】蒜#锏图6焊接空心球应力(无加劲肋)2.2.3焊接空心球支座节点承载力分析焊接球节点在整个钢桁架体系中处于比较关键的位置,无论是连接杆还是薄壁空球出现局部的屈服,节点都会丧失继续承载的能力, 因此有必要对焊接球节点进行极限承载力分析,以判断结构的安全性能.在极限承载力分析中,结构加载采用逐级加载,钢材的本构模型根据文献[6]中材性试验提供的一模型,如图7所示,其中fr=345MPa,.=510MPa,占1=0.17%, 82=2%,占3=20%,4=25%.材料的屈服条件和强化准则采用Von—Mises 屈服准则,其条件判别式为:vd椭式中,为单向拉伸屈服时的屈服极限.等效应力v为:～=(}(:)+(盱)盱)图7钢材本构关系图选用多线性等向强化准则,规定屈服面以材料中所作塑性功的大小为基础在尺寸上扩张.对Von—Mises屈服准则而言,屈服面在所有方向均匀扩张,而其形状,中心及其在应力空间的方位保持不变.其后继屈服函数为:Ors=Ors0(;)其中.(;)为现实弹塑性应力.本文采用焊接空心球连接杆节点的荷载位移曲线判断焊接球节点的极限承载能力,连接杆的初始荷载为500MPa.如节点的荷载位移曲线图8所示,纵坐标表示加载的荷载步,横坐标表示沿连接杆的位移值fmm),取荷载步为0.69时对应的荷载值作为极限荷载,换算得到的极限荷载为6611kN. 计算结果表明,整个支座节点依次屈服的顺序为焊接空心球支承加劲肋角点焊接空心球环形加劲肋中心点焊接空心球连接杆一焊接空心球球壳. 3结论与建议(1)焊接空心球球支座节点的有限元分析结果为其在桥梁钢桁架中的应用提供了设计参考依据.(2)计算结果表明,由于焊接空心球加劲肋对球体表面进行了分隔,有效地减小了球壳表面的跨度,较好地改善了球体的受力性能.当焊接空心球设置环形加劲肋时,焊接空心球的最大应力发生在连接杆与焊接球交界处(焊趾附近),无环形加劲肋时焊接空心球的最大应力发生在球体上半球与下半球的结合处.(3)计算结果表明,焊接空心球支座节点极限承载力由各个组成部分控制,设计时应根据节点的连接类型做具体的分析才能确定节点整体的极限承载能力.(4)l由于理论计算时未能考虑焊接空心球节点焊接时产生的残余应力,实际应用时应适当降低由理论分析计算得到的节点承载力值.参考文献I1】魏文梅,胡维生.网架空心球容许承载力计算公式【A].第二届空间结构学术交流会论文集【c],1984.[2]胡维生,黄蓓,胡海波.网架焊接空心球承载力计算公式的研(下转第48页)。

焊接空心球节点在输电线路大跨越钢管塔中的应用

ｅＺｏｓａｅｗｒｉｇｅｇｎｅｉｇｈｌｅｏｌｗｓｈｒａｊｉｔｗｔｎｔｏｔｒｓｓｉｏｒｏｈｈｕｈｎｎｔｏｋｎｎｉｒ，ｔｅｗｅｄｈｌｐｅｉｌｏｎｉａｄｗｉｕａｏｅｎｄｏｃｈｈ
ＹｎＧｕｏｇｅＹｉｏＹｎ（ｈａｇＥｅｔｉＰｗｅｓｎＩｓｉｔＨａｇｈｕ３０１）ＺＮｉｌｃｒｃｏｒＤｅｉｎｔｕｅｎｇｔｎｚｏ１０２
ＡＢＳＲＡＣＴＴｈｌｅｈｌｗｐｅｉａｓａｇｏｈｉｅｔｅｓｄｉｈｔｅｕｅｔｗｅｓｆｌｒｅｓａＴｅｗｅｄｄｏｌｏｓｈｒｃｌｉｏｄｃｏｃｏｂｕｅｎｔｅｓｅｌｔｂｏｒｏａｇｐｎ
ｐａｔｃｎｎｅｒｎｅｉｒｃｉａｌｅｇｉｅｉｇｄｓｇｎ．
ＫＥＷＯＲＤＳｓｅｌｕｅｔｗｅＹｔｅｂｏｒｔ
ｗｅｄｄｈｌｗｐｅｉａｏｎｌｅｏｌｓｈｒｌｉｔｏｃｊ
ｕｔｔｔｅｇｈｌｉｅｓｒｎｔｍａ
ｏｔｏｏａｘｅｉｎｎａｉｎｅａａｙｉ．Ｔｈｏｃｕｉｎｏｈｅｅｒｈｉｉｅｔｎｌａｄｖｌａｌｏｈｒｈｇｎｌｐｒｅｍｅｔａｄｖｒａｃｎｌｓｓｅｃｎｌｓｏｆｔｅｒｓａｃｓｄｒｃｉａｎａｕｂｅｆｒｔｅｏ
ｔａｓｓｉｎｌｅｓｓｅａｏｎｃｉｎｊｉｔｒｎｍｉｓｉｙｔｍｓａｃｎｅｔｏｏｎ．Ｔｈｏｖｎｉｎｌｍｅｈｄｔａｃｌｔｈｅｒｎａａｉｆｔｅｏｎｅｃｎｅｔａｔｏｏｃｌｕａｅｔｅｂａｉｇｃｐｃｔｏｈｏｙｓｈｒａｏｎｓｔｓｉａｌｏｈｏｌｗｐｅｉａｔｕｅａｇｉｍｅｅｎｈｎｗａ１ｐｅｉｌｉｔｉｎ’ ｕｔｂｅｆｒｔｅｈｌｃｊｏｓｈｒｃｌｗｉｈｓｐｒｌｒｅｄａｔｒａｄｔｉｌ．Ｂａｅｎｔｅｔｌｓｓｄｏｈａｌｔｅ

方钢管焊接空心球节点的弹性有限元分析及试验

方钢管焊接空心球节点的弹性有限元分析及试验
邢丽，董石麟。
（．江树人大学城建学院，江杭州３０１；．浙江大学建筑工程学院，江杭州３０２）１浙浙１０５２浙１０７
摘要：过有限元系统分析方钢管焊接空心球节点在轴力作用下的受力性能．立采用实体单元的有限元模型，通建
ｉａｐｒｏｍａｃｓａａｙｅ．Ｂｏｃｌｅｆｒｎｅｗａｎｌｚｄｙｃｍｐｒｎｈｅｕｔｔｈｎｓｇｔｆｏｅｐｒｍｅｔ，ｉａｉｇｔｅｒｓｌｓｗｉｈｔｅｏｅｏｒｍｘｅｉｎｓｔ
ｔｅｄｓｒｂｔｏｕｅｏｈｔｅｓａｄｄｓｌｃｍｅｔｏｈｓｏｎｓｗａｒｖｄｄａｄｔｅｒｍｅｈｎｈｉｔｉｕｉｎｒｌｆｅｓｒｓｎｉｐａｅｎｆｔｅｅｊｉｔｓｐｏｉｅｎｈｉｔｃａ—
ｔｓｏｎｔｄｅｘｉＩｆｃｄｔｎｉｉｅｅｅｎｏｅｆｓｉｔｗａｏｕｃｅｈｅｅｉｓｕｎｒａａｏｒｅａｏｐｉｇｆｎｔｌｍｅｔｍｄｌｏｏｌｕｎｉｄｓｃｎｄｔｄ．Ａｎｈｎｄｔｅ
为２００８年北京奥运会兴建的国家游泳中心“ 水立方 ” 采用了一种全新的空间结构形式—— 基于气
计算方法．
最近，配合 “ 立方 ” 程设计，为水工文献Ｅ］７通过

焊接空心球节点承载力分析

焊接空心球节点承载力分析一．引言空间网格结构是由杆件通过节点相连接而成的结构系统，节点是结构系统中重要的受力构件，离散的杆件通过节点集成为一个结构系统，所以在空间网格结构系统中,节点的构造设计和强度都是十分重要的。

在空间网格结构中用于构件间连接的典型节点有两种类型：相贯节点和节点体。

相贯节点是指杆件与杆件直接相交，而不是通过节点；节点体是指各杆件通过一个节点相交，该节点是独立的构件，如图1所示[1]。

图1 各种典型节点现在应用于大跨空间结构中，适合中国国情且在工程上应用广泛的主要有两种节点体形式：螺栓球节点和焊接空心球节点。

前者是70年代从德国MEMO引进的，最早由内蒙古铁路局设计室研制成功并应用于内蒙古呼和浩特铁路局俱乐部[2]，属于“洋为中用”类型；而后者焊接空心球节点是1964-1966年间由刘锡良教授成功研制开发，第一个应用工程为天津科学馆[2]，属于“土生土长”类型。

本文介绍的是节点体中的焊接空心球节点，简要介绍了研究进展和有限元分析方法分析焊接空心球节点承载力的过程及得到的相应承载力公式，最后指出了当前研究中的不足。

二．优缺点及国内外应用情况焊接空心球节点是由两个半球焊接而成的空心球，可根据受力大小分别采用不加肋和加肋两种，如下图2所示[4]。

在我国，焊接空心球节点可适用于单层或多层空间网格结构的节点体系，该体系是将钢管与预制好的空心球直接焊接而成，适用于连接钢管杆件。

焊接空心球节点的优点是构造简单，受力明确，连接方便，且其刚度较螺栓球节点要大得多，所以它也比螺栓球节点具有更广泛的适用范围，但是焊接空心球节点的现场焊接工作量较大，同时，球的直径比管径要大得多，这成为建筑上的一个缺点[1]。

出于特殊情况及质量控制上的考虑，国外一般不采用现场焊接的形式，故焊接空心球节点在国外的工程实例已经不多见，目前，该类节点主要在我国广泛使用，这里面还包括著名的国家游泳中心“水立方”。

图2-1 不加肋的空心球图2-2 加肋的空心球三．一些研究及成果国内对焊接空心球节点有着广泛的研究分析，但尚未达成统一的承载力计算公式。

超大型浮式网架结构节点的选型及有限元分析

超大型浮式网架结构节点的选型及有限元分析对各种节点类型的优缺点进行分析对比，选出最适宜浮式网架结构的节点型式为球节点，并运用ABAQUS有限元软件对球节点的力学性能进行数值模拟分析，计算得出球节点的极限承载能力。

作为实际工程运用的参考，设置加劲肋的用以提高球节点的力学性能。

标签：浮式网架；节点；有限元分析；加劲肋0 引言当今世界空间与资源总储量紧张情势远远不能满足当今经济的飞速发展，因此海洋工程界开启了一个新的研究领域，即超大型浮式结构的研究。

其结构具有整体性好、工业化程度高、施工周期短、消波性好、受自然条件限制较小等优点[1]。

针对新型海洋结构浮式网架的相关研究主要集中在整体结构选型及其稳定性分析。

节点作为结构的关键受力与传力构件，具有极复杂的受力环境与破坏型式，其力学性能对结构的整体性及稳定性有着至关重要的作用。

1 浮式结构节点选型按照力学特性，节点可分为刚性连接节点、半刚性连接节点和铰接连接节点；按照构造形式，节点具体可分为：螺栓球节点、焊接空心球节点、钢管圆筒节点、焊接钢板节点、钢管鼓节点等。

节点交汇处都连接有数根杆件，受力复杂，确定节点类型需要满足与计算假定相符、尽量避免偏心、具有足够的强度等原则，结合各类型连接节点的受力状况、制作工艺等特征，浮式网架结构连接节点形式选为焊接空心球节点。

2 空心球节点的有限元分析2.1 模型参数及材料属性2.2 有限元原理进行数值模拟时，焊接空心球节点可看做很薄的壳体，进而选择壳单元进行计算；同时也能够看做是三维连续体，选用实体单元来进行有限元分析。

唐海军采用两种单元对焊接空心球节点进行了分析比较，认为实体单元能够更精确的反应节点在受荷过程中的变形和应力情况[2]。

选用实体单元，考虑几何非线性。

大量研究表明，焊接球节点在轴向受拉时为强度破坏，轴向受压时为弹塑性压曲破坏，且单向受力与双向受力时其破坏荷载接近[3]，因此，对球节点进行单向受力的数值模拟分析。

轴力和弯矩共同作用下焊接空心球节点承载力研究与实用计算方法

轴力和弯矩共同作用下焊接空心球节点承载力研究与实用计算方法董石麟唐海军赵阳傅学怡顾磊(浙江大学空间结构研究中心)(国家游泳中心设计联合体)摘要:国家游泳中心/水立方0多面体空间刚架结构中,杆件除承受轴力外,还承受相当大的弯矩,但目前规范对焊接空心球节点在轴力和弯矩共同作用下的设计方法尚属空白。

本文采用理想弹塑性应力-应变关系和Von -M i ses 屈服准则、同时考虑几何非线性的影响,建立了焊接空心球节点的有限元分析模型,对承受轴力、弯矩及两者共同作用的空心球节点进行了大量的非线性有限元分析。

通过典型节点的试验研究,直观了解节点的受力性能和破坏机理,并验证了有限元模型的正确性。

文中还推导了基于冲切面剪应力破坏模型的节点承载力的简化理论解。

最后,综合简化理论解、有限元分析和试验研究的结果,提出了轴力和弯矩共同作用下的节点承载力实用计算方法,可供实际工程设计采用,也可供相关规程修订时参考。

关键词:焊接空心球节点;组合荷载;承载力;有限元分析;试验研究;实用计算方法中图分类号:TU392 文献标识码:A 文章编号:1000-131X (2005)01-0021-10LOAD -CARRY ING C APACITY A ND PRACTICA L CA LCULATION METHOD FOR WELDED HOLLOWSPHERICAL JOINTS SUBJEC T TO COMBINED AX IAL FORCE AND BENDING MOMENT Dong Shilin Tang Haijun Zhao YangFu Xueyi Gu Lei(Space Structures Research Center,Zhejiang University)(CSCEC National Swimming Center Design Consortium)Abstract :Members in the polyhedron space fra me structure for the National Swimming Center /Water Cube 0are subject toboth a xial forces and large bending moments.However,no provision has been provided by current design codes for welded ho-llo w spherical joints subject to combined loading.Based on the elastic -perfectly plastic model and the Von -Mises yield criter-i on,a finite element model for the analysis of welded hollow spherical joints is established,in which the effect of geometric nonlinearity is also taken into account.Employing the nonlinear finite element model,a major para metric study is carried out on the joints subject to axial forces,bending moments and combined loading of the two.Experiments on five typical ful-l scalejoints are conducted to understand directly the structural behavior and the collapse mechanism of the joint,and also to validate the finite element model.A simplified theoretical solution is also derived for the loading -carrying capacity of the joint,based on the punching shear failure model.Finally,by summarizing the results from the simplified theoretical solution,finite ele -ment analyses and experimental study,a practical calculation method is proposed for the load -carrying capacity of the joints subject to combined loading.The results from this study can be applied for direct design use,and also provide a reference for the revision of relevant design codes.Keywords :welded hollo w spherical joints;c ombined loading;load -carrying capacity;finite ele ment analysis;experimental study;practical calculation method收稿日期:2004-11-041 引言为2008年北京奥运会兴建的国家游泳中心/水立方0采用了基于气泡理论的多面体空间刚架这一全新的空间结构形式[1],结构的几何构成决定了其绝大部分节点应保证刚性连接,/水立方0结构的内部节点将采用国内在网格结构中已得到广泛应用的焊接空心球节点。

焊接空心球节点承载力分析

(3) 管径与球径之比 d/D 的影响管径与球径之比 d/D 是影响焊接球节点承载力的重要因素之一。我国网壳规程及文献【3】中均采用了NR = (A + B D )ηd πtdf 形式的承载力计算公式，其中 A、B 为待定系数。图 3-5 给出了不同 d/D 时焊接空心球节点的承载力变化，图中也给出了文献【3】中提出的计算公式。
图 1 各种典型节点现在应用于大跨空间结构中，适合中国国情且在工程上应用广泛的主要有两种节点体形式：螺栓球节点和焊接空心球节点。前者是 70 年代从德国 MEMO 引进的，最早由内蒙古铁路局设计室研制成功并应用于内蒙古呼和浩特铁路局俱乐部[2]，属于“洋为中用”类型；而后者焊接空心球节点是 1964-1966 年间由刘锡良教授成功研制开发，第一个应用工程为天津科学馆[2]，属于“土生土长”类型。本文介绍的是节点体中的焊接空心球节点，简要介绍了研究进展和有限元分析方法分析焊接空心球节点承载力的过程及得到的相应承载力公式，最后指出了当前研究中的不足。
沿壁厚划分 4 层网格，具体见图 3-1。分析时采用理想弹塑性应力、应变关系和 Von-Mises 屈服准则，考虑几何非线性的影响，通过弧长法迭代跟踪节点的荷载位移全过程响应。分析中没有考虑材料的硬化对节点承载力的有利影响，一方面各种钢材的硬化程度不尽相同，难以完全考虑；另一方面将这部分有利作用考虑到结构设计的安全储备中。
示)，取 A=0.37，B=0.45，直线方程为 0.37+0.45d/D。即将文献【3】承载力计算公式改进为以下表达式:
（三）有限元分析结果与规范公式《空间网格结构技术规程》公式很明显反映了有限元分析各种影响因子影响程度的结论： D 与 D／t 基本无影响，d/D 影响较大。而由于该次有限元分析过程简化了实际条件，且考虑的 D 范围扩大，故两公式在系数上又有一定区别，但总体来看，有限元分析的结果是比较准确的，又可以节省试验的成本，具有很大优越性，因此，有限元分析成为研究焊接空心球节点的重要方法。

基于广义强度模型的焊接空心球节点受拉承载力分析的开题报告

基于广义强度模型的焊接空心球节点受拉承载力分析的开题报告题目：基于广义强度模型的焊接空心球节点受拉承载力分析一、选题背景随着现代建筑结构的越来越复杂，焊接空心球节点的应用越来越广泛，取代了传统的节点连接方式。

但是焊接空心球节点的受拉承载力分析却一直没有得到很好的解决，这对工程结构的安全性造成了一定的威胁，需要深入研究。

二、选题意义通过对焊接空心球节点受拉承载力分析的深入研究，可以为工程结构的设计和改进提供理论基础和参考依据，提高工程结构的安全性和可靠性。

三、研究内容1. 焊接空心球节点的结构特点分析；2. 广义强度模型理论的介绍；3. 基于广义强度模型的焊接空心球节点受拉承载力分析；4. 数值模拟验证。

四、研究进度安排1. 第一阶段（1-3个月）：焊接空心球节点的结构特点分析；2. 第二阶段（4-6个月）：广义强度模型理论的介绍；3. 第三阶段（7-9个月）：基于广义强度模型的焊接空心球节点受拉承载力分析；4. 第四阶段（10-12个月）：数值模拟验证；5. 第五阶段（12-15个月）：撰写论文。

五、预期成果1. 深入探讨焊接空心球节点的受拉承载力分析的理论模型；2. 基于广义强度模型的焊接空心球节点受拉承载力分析方法；3. 数值模拟验证结果；4. 在相关学术期刊上发表学术论文。

六、论文结构第一章绪论1.1 研究背景1.2 研究目的和意义1.3 国内外研究现状1.4 研究内容和方法1.5 论文结构第二章结构特点分析2.1 焊接空心球节点的结构特点2.2 焊接空心球节点的受力性能分析第三章广义强度模型理论的介绍3.1 广义强度模型的基本概念3.2 广义强度模型的理论框架3.3 广义强度模型的应用第四章焊接空心球节点受拉承载力分析4.1 基于广义强度模型的理论分析4.2 受力分析的数值模拟方法4.3 数值模拟结果分析第五章论文总结与展望5.1 论文总结5.2 研究不足与展望七、参考文献注：以上内容均为虚构，请勿抄袭。

单板焊接空心球节点受拉承载性能研究

单板焊接空心球节点受拉承载性能研究陈志华;蔡汝锐;刘红波;温锁林【期刊名称】《天津大学学报(自然科学与工程技术版)》【年(卷),期】2024(57)1【摘要】单板焊接空心球节点常用做弦支穹顶上部结构连接拉杆或拉索的节点,单板主要承受拉力并传递至焊接空心球,为了满足工程设计的要求,需对其受拉承载性能进行研究.通过试验,研究了不同参数的单板焊接空心球节点轴拉状态下的受力性能和破坏机理,建立有限元模型并进行验证,该模型能较好地反映单板焊接空心球节点轴拉性能,通过有限元模型参数化分析揭示了节点尺寸、加劲肋、单板尺寸等参数对其力学性能的影响规律,并提出单板焊接空心球轴拉承载力计算公式.研究结果表明:单板焊接空心球在轴拉作用下为应力集中导致的剪切强度破坏,破坏发生在单板端部与空心球连接处,表现为焊接空心球被撕裂;有限元应力云图得出破坏时沿着单板平面内拉力方向的剪应力起主要作用;单板焊接空心球节点的受拉承载力随单板宽度及空心球壁厚的增大而明显增大,空心球直径的增大会使承载力略有降低,单板的厚度增加使节点承载力略有提高,单板的高度对节点承载力的影响较小,空心球内设置加劲肋能使承载力提高至少20%;基于参数化提出的单板焊接空心球节点的受拉承载力计算公式能简便地计算出单板焊接空心球节点的承载力,相对误差在±15%以内,满足工程设计误差要求.研究工作可为今后外接单板的焊接空心球节点分析设计提供参考.【总页数】10页(P1-10)【作者】陈志华;蔡汝锐;刘红波;温锁林【作者单位】天津大学建筑工程学院;滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室(天津大学);河北工程大学土木工程学院【正文语种】中文【中图分类】TU392【相关文献】1.铸钢空心球节点与焊接空心球节点的性能比较2.网架结构超大直径焊接空心球受拉节点的极限承载力3.螺纹孔单边螺栓T形连接节点受拉性能研究(Ⅱ)——承载力设计方法4.受拉焊接空心球节点火灾高温下的性能分析因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

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焊接空心球节点承载能力的有限元分析
摘要：对承受单向轴压的焊接球节点，本文在现有文献资料工作的基础上进
一步通过有限元分析的方法分析了承载能力的影响因素。

通过对大量计算结果的
数值分析，对现有的承载力计算公式提出建议性的改进。

关键词：焊接空心球节点；承载能力；有限元分析
1 引言
随着现代建筑立面多样化的市场需求,钢筋混凝土坡屋面的应用越来越多。

一般将坡度小于5%的屋面称为平屋面，坡度大于10%的屋面称为坡屋面。

坡屋面
根据坡面组织的不同可以分为单坡屋面、双坡屋面、四坡屋面及多坡屋面等。

单
坡屋面多用于房屋为外走廊,进深比较小的建筑;双坡屋面及多坡屋面则用于建筑
立面要求比较丰富的别墅或其他建筑。

由于焊接空心球节点造价相对低廉、加工工艺较为简单，并且复杂节点中的
所有汇交杆件轴线均通过球节点中心线，可以有效避免节点偏心受力，因此球节
点在国内得到了广泛的应用。

在我国焊接空心球节点的应用和研究已经展开多年，但随着新型结构形式的出现以及更为复杂的结构体系的诞生，关于焊接空心球节
点的研究理论也应该日臻成熟，因此关于焊接空心球节点的研究仍然十分必要。

2单向轴压作用下焊接空心球节点的承载能力
由于单向轴压作用的焊接空心球节点受力较为简单，现有研究较多较成熟，
并且我国网架和网壳结构规程均给出了轴力作用下圆钢管焊接球节点的承载力计
算公式，但随着试验研究的进行，目前仍有各种新的计算公式陆续提出。

此外，
根据实际工程经验，目前的规程公式对于直径较大且壁厚较薄的焊接空心球节点
设计安全储备不足，这可能是由于球体壁厚对节点的破坏模式有较大影响。

为了进一步了解轴压作用下焊接球节点承载能力的影响因素，本章对140个
节点进行有限元分析(详见表2-1~表2-5)，节点的几何参数变化范围为:空心球
直径300mm≤D≤900mm，球径与壁厚之比为25≤D/t≤45，球径与钢管直径之比为2.4≤D/d≤4.0。

2.1有限元模型
本文通过有限元软件ABAQUS进行分析，采用理想弹塑性应力-应变关系和Von-Mises屈服准则，考虑几何非线性，不考虑焊缝和残余应力的影响，利用弧长法迭代跟踪节点的荷载位移全过程影响。

计算时选取十节点修正二次四面体单元（C4D10M）,自由划分网格，模型见图2-1。

分析时不考虑材料的硬化对节点承载力的有利影响，一是因为材料的差异性，二是可作为安全储备，使结构设计偏于安全。

图2-1 有限元模型
1.
1.
影响焊接球节点承载能力的因素分析
2.2.1 直径D的影响
为便于分析，将有限元结果P与的比值作为参数。

图2-2给出不同径厚比时，直径D对焊接球承载力的影响。

由图中可见，当相同时，不同直径D对应的参数基本在同一水平直线上，说明球径的变化对节点的承载力影响不大。

1.
D/t=25 （b）D/t=30
图2-2 不同径厚比时，直径对承载力的影响
2.2.2 径厚比D/t的影响
图2-3给出了不同径厚比D/t时焊接空心球节点承载力的变化。

可以看出，随着径厚比D/t的增大，节点承载能力有所下降，但总体影响不大。

网架规程和网壳规程给出的构造要求为网架和双层网壳空心球外径与壁厚之比宜取25~45，D/t=45时的承载力约为D/t=25时的85%~94%。

此外，不同的D/d时，承载力随着D/t的增大均表现出下降的趋势，且下降幅度接近。

总体看来，径厚比D/t对节点承载力的影响较小，但对于径厚比较大（D/t≥40时）的焊接空心球节点，可以在现有计算公式基础上考虑10%左右的折减。

图2-3 不同径厚比时承载力变化图
2.3.2 球径与管径D/d的影响
管径与球径之比d/D是影响焊接球节点承载力的重要因素之一，我国网架规
程和网壳规程均采用形式的承载力计算公式，其中A、B为待定系数。

经过计算可知规程给出的计算公式作为节点承载力计算公式，与计算结果
的趋势基本上是符合的。

本文利用140个有限元的计算结果，经过数据拟合，得
到一条直线，然后经过平移，保证95%以上的计算结果均在直线上方，此时直线
方程为0.25+0.57d/D。

即给出规程中承载力计算公式的改进表达式：
1.
结论与展望
本文主要对焊接空心球节点进行了大量有限元分析，并对我国目前焊接空心
球研究现状进行了简单总结，得到如下主要结论：
41.采用十节点修正二次四面体单元（C4D10M）、理想弹塑性应力-应变关系
和Von-Mises屈服准则同时考虑几何非线性的影响，建立有限元分析模型，对影
响焊接空心球节点承载力的因素进行了大量的计算与分析。

分析表明，影响焊接
球节点承载力的主要因素是管径和球径之比d/D，与球节点直径D和径厚比D/t
的关系较小，D/t=45时的承载力约为D/t=25时的85%~94%。

2.我国空间网格结构技术规程给出的空心球节点轴压作用下承载力计算公式
与计算结果基本吻合，但对于薄壁空心球节点（D/t=45）时，该公式偏于不安全。

本文对140个球节点模型的计算结果进行数值拟合并保证95%以上的有限元结果
偏于安全，获得一个改进的承载力计算公式：
1.
目前对于焊接空心球节点的研究较多，本文也对单向轴压空心球节点进行了
大量的有限元计算与分析，但实际空间结构中球节点总是处于多向受力状态，因
此焊接球节点承载力的研究还需大量的试验与分析研究。

参考文献：
1.
梁彤辉.钢套管加固焊接空心球节点的承载力研究[D].浙江，绍兴文理学院，2021.
2.
董恒.H型钢杆件—焊接空心球节点单层网壳结构抗火性能研究[D].天津.天
津大学，2019.
3.
赵中伟，吴刚.锈蚀焊接空心球节点随机抗压承载力研究[J].工程力学. 2021,38(05):219-228+238.。