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網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中，焊接空心球節(jié)點具有構(gòu)造簡單，連接方便，不產(chǎn)生節(jié)點偏心等優(yōu)點，在我國得到了最為廣泛的應(yīng)用。目前，國內(nèi)對直徑為120mm~ 900mm的焊接空心球節(jié)點的研究比較成熟，根據(jù)大量的試驗數(shù)據(jù)回歸分析得到了與圓鋼管直接相連時，空心球的受壓和受拉承載力設(shè)計值，并制定了設(shè)計規(guī)范。相對而言，對與多個錐管直接相連的半球節(jié)點的研究，無論是試驗上還是理論上，都還未達到與單個圓鋼管直接相連的球節(jié)點的深度。1997年，東南大學的學者對4個直徑為600mm的節(jié)點進行了有限元分析和試驗，并對規(guī)程中的承載力計算方法提出了修改建議；1998年，天津大學的學者分別對6組大直徑空心球進行了理論和試驗研究，建立了基于沖切模型和能量法的承載力公式，并通過對試驗數(shù)據(jù)的回歸得出了承載力公式；2000年和2003年學者利用有限元工具分別對節(jié)點進行了進一步的數(shù)值模擬，通過回歸分析得到了適用于大直徑節(jié)點的承載力計算公式。
雖然人們已進行了一些試驗研究和理論分析，但可以利用的試驗數(shù)據(jù)仍不充分，且設(shè)計時仍無標準可依，因此對于大型工程節(jié)點進行試驗驗證是非常必要的。本文以某大型體育館工程為背景，對一受力復雜的大直徑焊接空心半球節(jié)點進行了足尺模型試驗研究和有限元分析，通過試驗獲得節(jié)點的主要關(guān)鍵點的應(yīng)力和承載力，驗證有限元分析結(jié)果，為拱形桁架的安全性評估提供依據(jù)，也對該類節(jié)點的設(shè)計提供參考。
研究的節(jié)點是某體育館焊接鋼管拱形桁架的支座節(jié)點，該網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)布置圖如圖 所示，所要分析節(jié)點為 ZHJ1 的支座節(jié)點。
該節(jié)點由一個薄壁半球和四根錐管、四根直管組成，半球直徑為800mm，壁厚40mm，①桿、②桿的直桿部分采用Φ299×12無縫鋼管，③桿、④桿的直桿部分采用Φ299×16無縫鋼管，它們的錐桿部分均為Φ177×16~Φ299×16錐管，長度均510mm，①桿、②桿軸線之間夾角為30.1，①桿與③桿、②桿與④桿軸線之間夾角為62.6，③桿、④桿軸線之間夾角為25.1。該節(jié)點的鋼材均為 Q345級。作用在四根管上的壓力設(shè)計值分別為669.4kN、849.4kN、985.1kN、1304.8kN。
采用有限元軟件ANSYS對空間球節(jié)點受力性能進行分析。節(jié)點建模采用 ANSYS 提供的4點彈塑性殼單元shell143，每個節(jié)點有6個自由度，包括3個線位移自由度和3個轉(zhuǎn)動自由度，該單元具有塑性、蠕變、應(yīng)力強化、大撓度和小應(yīng)變等功能，能較好的模擬薄到中厚的殼結(jié)構(gòu)。
專業(yè)從事機械產(chǎn)品設(shè)計│有限元分析│強度分析│結(jié)構(gòu)優(yōu)化│技術(shù)服務(wù)與解決方案
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