大跨中置压环轮辐式张拉结构关键节点的研究

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大跨中置压环轮辐式张拉结构屋盖中,径向索、径向梁、V型支撑柱是结构的主要承重构件,销轴连接节点、关节轴承节点对屋盖径向索、径向梁和V型支撑柱间的传力转换起关键作用。若节点发生破坏,极易导致屋盖结构的连续性倒塌,节点设计和构造细节对结构安全性、整体性、经济性具有决定性作用。屋盖关键节点的研究,不仅推进实际工程,也为后续此类体系研究打下坚实的基础。本文结合在建的国内某足球场钢结构屋盖,采用SAP2000软件进行屋盖整体分析和关键节点所在构件的验算,通过ANSYS软件对其径向梁索销轴连接节点、径向梁与V型支撑柱内肢销轴连接节点、V型柱脚关节轴承节点、V型支撑柱内肢外肢关节轴承节点进行受力性能分析,并开展了V型柱脚关节轴承节点抗压承载性能足尺试验,最后选取关键节点所在的径向梁、径向索、V型支撑柱构件,从加工工艺、组装流程和索张拉方法角度作了施工方案介绍,并进行施工现场监测数据与理论值的对比分析。得到如下结论:(1)采用SAP2000软件对屋盖的正常使用极限状态和承载能力极限状态进行计算分析。结果表明:温度和地震的作用下屋盖的竖向变形小,刚柔混合轻型结构具有良好的抗震性能,而风荷载和不对称活荷载的作用下,其竖向变形大,设计时应重点关注。为将每轴径向梁稳定性应力比控制在0.85以内,对其进行优化设计,优化后的径向梁第一局部屈曲模态的屈曲因子达到5.61,局部稳定性满足设计要求。(2)采用ANSYS软件对径向梁索销轴连接节点进行受力性能分析。结果表明:横隔板双侧200mm处局部加厚翼缘,可以大幅降低下翼缘外侧与耳板连接处、下翼缘内侧与横隔板连接处的应力水平;加大耳板倒角圆弧半径,可以有效降低耳板根部与下翼缘连接处的应力水平。径向梁与V型支撑柱内肢的销轴连接节点,在1倍设计荷载下均处于弹性状态,且保有1.4倍及以上的设计余量。(3)采用ANSYS软件对V型柱脚关节轴承节点进行受力性能分析。结果表明:中耳板、外耳板、轴承固定压盖具有良好的抗压承载性能。通过该节点的抗压承载性能足尺试验验证,试验与仿真获得的测点的平面内应变强度,数值和变化趋势上基本吻合。(4)采用ANSYS软件对V型支撑柱内肢外肢关节轴承节点进行受力性能分析。结果表明:2倍设计荷载下,内肢的外耳板、外肢的中耳板与外耳板,承压面局部进入屈服,但塑性发展不大,内肢外肢的关节轴承节点仍然具有承载能力,满足设计要求。(5)采用应变计、磁通量传感器、加速度传感器进行施工现场监测。监测数据表明:径向梁、中置压环梁、V型支撑柱、立柱的现场应力监测值均未超过静力荷载组合下的理论值。前三阶振型自振频率实测值与理论值误差在15%以内,索力实测值与理论值误差在13%以内。屋盖SAP2000计算结果具有参考价值。
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