CN101266629A - 圆钢管焊接球节点的承载力计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种圆钢管焊接球节点的承载力计算方法，属于结构工程技术领域。其特征是，首先根据节点承受的弯矩和轴力以及圆钢管外径确定无量纲偏心距，然后根据无量纲偏心距计算考虑弯矩作用的节点承载力影响系数，最后在轴力承载力计算公式的基础上考虑弯矩作用影响系数得到轴力和弯矩共同作用下的节点承载力。本发明提供的轴力和弯矩共同作用下圆钢管焊接球节点的承载力计算方法可为该类节点的可靠设计提供保证，已在为2008北京奥运会而兴建的国家游泳中心“水立方”结构的设计中得到成功应用；同时，该方法还将促进焊接球节点的进一步推广应用，并丰富空间结构刚性节点的设计理论。

Description

圆钢管焊接球节点的承载力计算方法

技术领域

本发明涉及轴力和弯矩作用下圆钢管焊接球节点的承载力计算方法，属于结构工程技术领域。

背景技术

焊接球节点是目前我国空间网格结构中应用最为广泛的节点形式之一。焊接空心球节点在轴力作用下承载力的理论和试验研究已进行了多年。我国的《网架结构设计与施工规程》(JGJ7-91)给出了由大量试验数据统计分析而得的公式，适用于120mm≤D≤500mm的焊接球，且认为受拉时为强度破坏，与材料强度有关；受压时属壳体稳定问题，只与节点几何尺寸有关，而与材料强度无关。《网壳结构技术规程》(JGJ61-2003)则基于非线性有限元分析结果，认为在满足一定构造要求的条件下，拉压节点均属强度破坏，该规程给出了一个拉压节点都适用的承载力计算公式，并将适用直径扩大至120mm≤D≤900mm的节点。

但日前所有有关焊接空心球节点的理论分析和试验研究均针对轴向受拉或轴向受压的情况，对弯矩作用、或轴力和弯矩共同作用下焊接球节点的承载力还没有合理的计算方法。《网壳结构技术规程》(JGJ61-2003)针对单层网壳中杆件承受部分弯矩的情况，提出在受压和受拉承载力设计值的基础上乘以影响系数η_m(取0.8)以考虑拉弯或压弯作用的影响。但这只是一个经验系数，并没有理论依据，而且显然过于粗糙。这一简单方法对于以轴力为主、弯矩相对较小的情形(如大多数的单层网壳)尚可接受，但对于承受较大弯矩的节点是不适用、不安全的。

在传统形式的空间网格结构(如双层平板网架)中，结构杆件往往以轴力为主，但随着各种新型空间结构的出现，结构受力越来越复杂，结构杆件除了承受轴力还可能承受很大的弯矩。如国家游泳中心“水立方”结构所采用的新型多面体空间刚架结构中，部分杆件弯矩所产生的应力甚至达到总应力的80％以上。为保证焊接球节点在这些新型结构中的可靠应用，必须掌握轴力和弯矩共同作用下焊接球节点的承载能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轴力和弯矩共同作用下圆钢管焊接球节点的承载力计算方法。本发明的特征在于，当有轴力和弯矩共同作用时，计算机按以下步骤进行节点承载力的计算：

步骤(1)，向计算机输入以下参数：

圆钢管承受的弯矩M的测量值，

圆钢管承受的轴力N的测量值，

圆钢管外径d的测量值；

步骤(2)，计算机按下式计算无量纲偏心距c：

c＝2M/Nd；

步骤(3)，计算机根据步骤(2)得到的无量纲偏心距c按下式计算弯矩作用影响系数η_N，其步骤如下：

步骤(3.1)，当计算判定：0.0≤c≤0.3时，

则 ${\mathrm{\η}}_N=\frac{1}{1+c},$

步骤(3.2)，当计算判定：0.3＜c＜2.0时，

则 ${\mathrm{\η}}_N=\frac{2}{\mathrm{\π}}\sqrt{3+0.6c+2c^2}-\frac{2}{\mathrm{\π}}(1+\sqrt{2}c)+0.5,$

步骤(3.3)，当计算判定：c≥2.0时，

则 ${\mathrm{\η}}_N=\frac{2}{\mathrm{\π}}\sqrt{c^2+2}-\frac{2c}{\mathrm{\π}};$

步骤(4)，计算机按照步骤(3)得到的不同的弯矩作用影响系数η_N的值，按下式计算轴力和弯矩共同作用下圆钢管焊接球节点的承载力N_R：

$N_R={\mathrm{\η}}_N(0.3+0.57\frac{d}{D})\mathrm{\πtdf}$

其中，D为圆钢管焊接球节点的空心球的外径的测量值，t为空心球壁厚的测量值，f为输入到计算机的钢材抗拉强度设计值。

本发明公布的轴力和弯矩共同作用下圆钢管焊接球节点的承载力计算方法是建立在简化理论解、非线性有限元参数分析和试验研究结果的基础之上的，具有与现行网架规程基本一致的安全储备。该方法可为该类节点的可靠设计提供保证，已在为2008北京奥运会而兴建的国家游泳中心“水立方”结构的设计中得到成功应用；同时，该方法还将促进焊接球节点的进一步推广应用，并丰富空间结构刚性节点的设计理论。

附图说明

图1为本发明圆钢管焊接球节点的承载力计算方法设计过程图。

具体实施方式

下面通过一个实施例对本发明进行详细说明。

某焊接球节点，外径D＝500mm，壁厚t＝20mm，采用Q235钢材，f＝215N/mm²，所连接的圆钢管外径d＝219mm，圆钢管与焊接球相连的杆端同时作用有轴力N和弯矩M，且偏心距为e＝M/N＝130mm。该节点的承载力确定如下。

(1)计算无量纲偏心距c：c＝2M/Nd＝2×130/219＝1.187

(2)根据c的大小计算弯矩作用影响系数η_N：

${\mathrm{\η}}_N=\frac{2}{\mathrm{\π}}\sqrt{3+0.6\×1.187+2\×{1.187}^2}-\frac{2}{\mathrm{\π}}(1+\sqrt{2}\×1.187)+0.5=0.4215$

(3)计算节点承载力N_R：

$N_R=0.4215\×(0.3+0.57\×\frac{219}{500})\×\mathrm{\π}\×20\×219\×215=685416N=685.4\mathrm{kN}$

因此，该焊接球节点的承载力为685.4kN。

Claims (1)

1、圆钢管焊接球节点的承载力计算方法，其特征在于，当有轴力和弯矩共同作用时，计算机按以下步骤进行节点承载力的计算：

步骤(1)，向计算机输入以下参数：

圆钢管承受的弯矩M的测量值，

圆钢管承受的轴力N的测量值，

圆钢管外径d的测量值；

步骤(2)，计算机按下式计算无量纲偏心距c：

c＝2M/Nd；

步骤(3)，计算机根据步骤(2)得到的无量纲偏心距c按下式计算弯矩作用影响系数η_N，其步骤如下：

步骤(3.1)，当计算判定：0.0≤c≤0.3时，

则 ${\mathrm{\η}}_N=\frac{1}{1+c},$

步骤(3.2)，当计算判定：0.3＜c＜2.0时，

则 ${\mathrm{\η}}_N=\frac{2}{\mathrm{\π}}\sqrt{3+0.6c+2c^2}-\frac{2}{\mathrm{\π}}(1+\sqrt{2}c)+0.5,$

步骤(3.3)，当计算判定：c≥2.0时，

则 ${\mathrm{\η}}_N=\frac{2}{\mathrm{\π}}\sqrt{c^2+2}-\frac{2c}{\mathrm{\π}};$

步骤(4)，计算机按照步骤(3)得到的不同的弯矩作用影响系数η_N的值，按下式计算轴力和弯矩共同作用下圆钢管焊接球节点的承载力N_R：

$N_R={\mathrm{\η}}_N(0.3+0.57\frac{d}{D})\mathrm{\πtdf}$

其中，D为圆钢管焊接球节点的空心球的外径的测量值，t为空心球壁厚的测量值，f为输入到计算机的钢材抗拉强度设计值。

Images