斜交网格结构空间相贯焊接节点承载力分析学位
高层斜交网格筒结构体系的基本受力特性与抗震性能分析
高层斜交网格筒结构体系的基本受力特性与抗震性能分析高层斜交网格筒结构体系的基本受力特性与抗震性能分析摘要：本文通过对高层斜交网格筒结构体系的基本受力特性与抗震性能的分析，探讨了该结构体系在工程实践中的应用前景。
首先介绍了高层斜交网格筒结构体系的基本形式和构造特点，然后分析了其在自重、风荷载和地震荷载作用下的受力特性，并探讨了其抗震性能的原理和优势。
研究结果表明，高层斜交网格筒结构体系通过合理的结构形式和布置方式，能够有效降低结构的振动响应，提高结构的抗震能力，具有良好的工程实践价值。
关键词：高层建筑；斜交网格筒结构体系；受力特性；抗震性能；工程实践1. 引言随着城市化进程的加快和人们对高品质生活需求的提高，高层建筑的数量与日俱增。
而高层建筑的结构体系对于保证建筑的结构安全和提高其使用性能至关重要。
高层斜交网格筒结构体系由于其独特的构造形式和性能特点，被广泛应用于高层建筑领域。
本文旨在通过对高层斜交网格筒结构体系的基本受力特性与抗震性能的分析，为其工程实践提供参考和指导。
2. 高层斜交网格筒结构体系的基本形式和构造特点高层斜交网格筒结构体系是指将筒状结构与斜交网格结构相结合形成的一种结构体系。
其主要特点是斜交网格筒通过在垂直方向上的连续延伸形成，整个结构类似于一个立体网格骨架，具有较高的稳定性和强度。
同时，该结构体系具有自重轻、抗震能力强、不易产生屈曲等优点。
3. 受力特性分析3.1 自重受力分析由于高层斜交网格筒结构体系的特殊构造形式，其自重受力主要通过柱、横梁和斜杆进行传递。
通过对各构件的自重计算分析可得到结构的自重受力分布情况。
研究表明，高层斜交网格筒结构体系的自重受力相对较小，对结构整体的影响不大。
3.2 风荷载受力分析高层建筑常常承受较大的风荷载，而高层斜交网格筒结构体系具有较好的承载风荷载能力。
斜交网格筒体系中的梁和斜杆能够有效地分担风荷载，并通过斜杆将风荷载传递到地基，增强结构的稳定性。
超高层建筑结构设计要点及关键应用技术
超高层建筑结构设计要点及关键应用技术发表时间：2019-09-16T17:26:13.277Z 来源：《基层建设》2019年第18期作者：殷斯嘉[导读] 摘要：随着科技的发展，超高层建筑已不断成为一个地区的标志和一个时代的缩影。
南京理工大学土木工程系江苏南京摘要：随着科技的发展，超高层建筑已不断成为一个地区的标志和一个时代的缩影。
本文详细说明了国内外不同规定下超高层建筑的限高及结构形式分类。
并梳理出超高层建筑结构设计的要点。
本文最后，根据超高层结构设计要点与难点，选取了在超高层结构设计中较为成熟的三项关键技术进行简单剖析。
关键词：超高层建筑结构弹塑性动力时程分析复杂节点有限元 BIM前言：中国自上个世纪八十年代开始进行超高层建筑设计，迄今已有近四十年。
短短的四十年间，中国紧跟国际结构设计潮流，已基本掌握当今超高层结构设计关键技术，并已建成的超高层建筑数量位居世界前列。
一、国内外超高层建筑定义：对于超高层建筑的高度限定，国内外并没有统一的规定。
根据中国《民用建筑设计通则》GB503520-2005规定：建筑高度超过100m 时，不论住宅及公共建筑均为超高层建筑。
在Wikipedia上，则以“skyscraper”（摩天大楼）这一概念来对应超高层建筑，即四十层以上，高度超过150m的建筑。
根据世界超高层建筑学会的新标准，超高层建筑的限定高度增加至300m。
根据我国国情，现阶段建议把高度超过200m或50层以上的高楼，称之为超高层建筑。
二、超高层建筑结构形式选取：Fazlur R.Khan 是超高层建筑领域的一代宗师，提出并完善了筒体，桁架筒体，束筒的概念。
根据汗在1969年提出的理论，超高层建筑的结构体系可分为：（巨型）框架-核心筒结构，（巨型）框筒-核心筒结构，筒中筒结构，成束筒结构，巨型支撑及混合结构。
根据安全经济，方便施工，绿色环保的设计原则，近年来结构工程师提出新的分类方法：按照内部抗侧力结构和外部抗侧力结构分类。
焊接空心球节点承载能力的有限元分析
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。
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
（ Ｊ ９９ Ｊ ７ ９ ３４ ５ ０ ｂ
ａ 凹 面 ． 一 凸 面 ；一 接 接 板 ｂ ｃ
图 ６ 工 况 Ｐ１ … Ｐｅ Ｐ 下 Ｍｉ ｓ 力 ＭＰ ｓ 应 ｅ ａ
根据整体分 析计算 得知 ， 该节 点最 大设计 荷 载值
为 ： 力 ， ２ ７ ３ｋ 拉 力 ， １６４ｋ 压 ３ ４． Ｎ； 一 ０ Ｎ。节 点 设 计 承
Ｌｉ ｉ ｎｇｇａｎｇ ＇ Ｑ
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Ｆｕ Ｍ ｅｉ 。
（ ． ｈｅ ｙ ｎ ｉ ｎ ｈ ｉ ｅ ｓｔ １ Ｓ ｎ ａ ｇ Ｊ ａ ｚ ｕ Ｕｎ ｖ ｒ ｉ ｙ，Ｓ ｎ ａ ｇ １ ０】 ８ Ｃｈ ｎ ｈｅ ｙ ｎ １ ６ ， ｉ ａ；
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
２ ２ 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。 、 一０ Ｐ 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
２ １ 节 点 构 造 ．
Ｓ Ｓ村 该塔 典 型节点 进 行 有 限元 分 析 ， Ｙ 以确 定 节 点
高层建筑案例分析
难点一
由于本工程造型独特,由钢管混凝土柱组成的斜交网络外框简分为16 个节,每个节27m,钢管混凝土柱在每个节间为直线段,相邻节段的柱于节 点层形成一个折点,并于节点层平面内产生向外的推力，从而在楼层梁板 中产生拉力，如何抵抗该拉力是本工程设计中的一个技术难点。
解决方式
本工程采用了外框筒环梁+拉梁+核心简内闭合环梁构成的独立的平面 内抗拉体系,如图2所示;为了进一步提高节点层抗拉体系的安全储备,在 节点层周边设置体外高强钢绞线预应力索。张拉索使节点层平面内产生 沿径向的压力,大大减少了环梁、拉梁及核心筒连梁的拉力,还可降低楼 板中的拉应力水平,有效地控制楼板的裂缝宽度。
难点二
本工程的另一个主要技术难点是组成斜交网格外框筒的钢管混凝土 柱的“X"形相贯节点。建筑师要求采用2根钢管混凝土柱空间相贯，在 柱轴线交点处截面面积最小,所受轴力最大,因此必须设计一个特殊节点 以满足既不增大节点截面尺寸又能承受更大内力的要求。
解决方法
本工程设计了一个新型节点,利用竖向放置的椭圆形拉板连接4 根相贯 的钢管,节点区内钢管壁适当加厚，细腰处设置水平加强环，该节点形 式简洁,受力明确,便于管内混凝土浇灌施工。
高层建筑讨论课是由框架-剪力墙结构与全剪力墙结构综合演 变和发展而来。筒体结构是将剪力墙或密柱框架集中到 房屋的内部和外围而形成的空间封闭式的筒体。其特点 是剪力墙集中而获得较大的自由分割空间，多用于写字 楼建筑。筒体结构包括框筒、筒中筒、桁架筒和束筒结 构，后来还出现了多筒和多重筒等筒体结构。
在简体结构中，剪力墙筒的截面面积较大，它承受大部分水平剪力，所以柱子承受的剪力 很小；而由水平力产生的倾覆力矩，则绝大部分由框筒柱的轴向力所形成的总体弯矩来平衡， 剪力墙和柱承受的局部弯矩很小。由于这种整体受力的特点，使框筒和薄壁筒有较高的承载 力和侧向刚度，而且比较经济。
XKK 型空间相贯节点极限承载力有限元分析
6] 料的本构关系采用 M 按节点材性试验 [ 所测应力 应变关系输入 , 见图 4。 I S O, [ ] 1 5 1 6 ) , 边界条件及加载方式 参照相关文献及实际工程 节点边界条件如 图 5 所 示 , 主、 支弦杆一端边 5
在荷载加载过程中 , 为使节点破坏区域发生在节点相贯区 , 均匀施加沿杆管径轴线方向的面荷载于弦杆
2 0 1 1年5月
第3 3卷
第5期
J O U R N A LO F WU H A NU N I V E R S I T YO FT E C H N O L O G Y
武
汉
理
工
大
学
学
报
췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍 췍 : / D O I1 0. 3 9 6 3j . i s s n . 1 6 7 1 4 4 3 1. 2 0 1 1. 0 5. 0 2 6
杨维国 , 王耀峰 , 谷 鹏, 李兴坡
点区应变分布状态及破坏模式 。 通过对多组不同几何特性的 X 揭示了影响空间节点相贯承载 KK 型节点进行对比分析 , 及腹 、 主管管径比β 各杆杆夹角对节点承载力影响较小 ; 杆件径厚比 γ 2 的增大可有效提高节点承载力 ; i 宜控制在一定范 围之内 。 在参考平面 X 型 , 提出 了 X K 型相贯节点承载力计算公式及相关资料的基础上 , KK 空 间 相 贯 节 点 承 载 力 计 算 建议公式 。 关键词 : 空间相贯节点 ; X KK 型节点 ; 极限承载力 ; 破坏准则 中图分类号 : TU3 9 2. 3 文献标识码 : A
力的主要参数以及其与承载力的关系 , 并将有限元计算结 果 与 规 范 计 算 结 果 进 行 了 对 比 。 结 果 显 示 : 支、 主 管 管 径 比β 1
斜交网格结构空间相贯焊接节点滞回性能的数值分析
ｃａｐａｃｉｔｙ ｕｎｄｅｒ ｌｏｗ ｃｙｃｌｉｃ ｌｏａｄｉｎｇ． Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｓｏｍｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｎ ｔｈｅ ｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃ ｈｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｊｏｉｎｔ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ
３０
３０
３０
３０
３０
厚度 ／ ｍｍ
２０
４ ７７９
３
４ ４２４
４ ５１１
５． ０
５． ０
４ ６３９
４ ８５０
２０
３０
４０
４０
４０
４０
４０
９
１０
１０
１０
７ ５
５
１０
１０
２ 结果分析
２ １ 延 性
极限位移与屈服位移的比值称之为延性系数。
Ｓｔｅｅｌ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ２０１６ （６） ， Ｖｏｌ ３１， Ｎｏ ２１０
工程设计
斜交网格结构空间相贯焊接节点滞回性能的
数值分析
包树龙 李丽平 童冰强
（ 长安大学， 西安 ７１００６４）
摘 要：利用 ＡＢＡＱＵＳ 有限元软件对斜交网格结构中空间相贯节点进行分析，研究其在低周往复荷载下的延性、刚
度退化、强度退化、耗能能力等性能，并通过分别改变斜交角度、竖向拉板厚度、横向连接板厚度、钢管半径与厚度
力，结合 Ｙｏｕｎｇ⁃Ｊｕ Ｋｉｍ 提出的拟静力加载制度
［６］
，
确定节点的边界条件如图 ２ 所示，加载制度如图 ３
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]。
（四）理论分析推导承载力计算公式 如 2005 年，陈志华等通过因素相关分析得出受压空心球节点承载力影响因素，并通过 回归分析在考虑安全度的基础上建立受压空心球的承载力计算公式； 对受拉空心球节点采取 冲切模式， 利用冲剪法和第四强度理论并考虑一定的安全度建立了受拉球节点承载力设计值 计算公式[10]：
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
式中， Nc 为受压空心球的轴向压力设计值(N)；D 为空心球外径(mm)；t 为空心球壁厚 (mm)； d 为钢管外径(mm)； ηc 为受压空心球加劲承载力提高系数， 无肋取 1.0， 有肋取 1.4； Nl 为受拉空心球的轴向压力设计值(N)；ηl 为受拉空心球加劲承载力提高系数， 无肋取 1.0， 有肋取 1.1；f 为钢材强度设计值(N/mm2)。 2003 年， 《网壳结构技术规程》中对空心球直径为 120mm～900mm 时，将受拉和受压时 焊接空心球节点公式合二为一[7]：
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斜交网格结构空间相贯焊接节点承载力分析摘要：斜交网格结构是近些年新出现并被应用的新型结构形式，主要应用于高层及超高层建筑和异型建筑，具有外形美观、受力可靠、抗侧刚度大等优点。
但现在对斜交网格结构的研究还不是很系统，对斜交节点的研究更是少。
由于结构的特殊性，斜交网格结构的节点截面面积小且所受轴力很大，所以节点设计是工程应用中的难点。
这就需要对节点进行特殊设计并辅以电脑设计分析和优化。
本文以大连某观光塔工程为背景，该塔外筒为斜交网格结构，中部收腰，空间构造复杂，空间节点设计具有较大的难度。
本文利用大型有限元分析程序进行实体建模，实现对圆钢管斜交网格空间相贯焊接节点进行设计，并进行静力弹性和弹塑性承载力分析。
以该塔外筒中某典型节点为例分析了在五种不同的载工况下的加载过程的应力分布情况，得出荷载位移曲线，确定节点在各个工况作用下的设计承载力、屈服承载力、极限承载力等信息，明确节点破坏模式。
还分析了节点管、拼接板等各部分的作用及对节点承载力的影响，明确节点的传力模式，分析得出节点主要由管壁和竖向拼接板进行传力，拼接板对节点具有很好的约束作用，对增强节点承载力、节省钢材具有很大的贡献。
本文将该节点与相同情况下的铸钢节点进行比较分析，指出两种节点在传力模式，破坏形态及承载力性能都较为相似。
本文将该类斜交节点与现行钢结构规范中的圆管平面X型节点设计承载力计算公式进行比较分析，明确现行规范计算方法不适于该类节点。
在规范公式的基础上，本文通过改变多个参数进行比较分析，归纳出适用于在一定范围两种工况时计算该类斜交节点极限承载力及设计承载力的计算公式。
本文重点分析了塔中通透区节点与环梁的相互作用。
探索环梁与节点的合理的连接方式，通过对在五种工况下有无连接板、无环梁有连接板、有环梁等节点进行静力弹性和弹塑性承载力对比分析，明确环梁及连接板对节点承载力性能的影响。
研究证明，当节点存在较大的平面外弯矩作用时，环梁和连接板在一定程度上提供了一个侧向支撑点，能有效提高节点承载力，且环梁受力较小，连接板的提高作用大于环梁；当节点存在扭转变形时，连接板对节点承载力影响不大，设置环梁对节点有不利影响。
本文将塔中其他节点进行了设计并计算，通过综合分析得出一些结论和建议，可供设计人员做参考研究。
关键词：斜交网格结构；空间相贯焊接节点；承载力；有限元分析AbstractDiagonal lattice structure，mainly used in high-rise buildings and shaped，are emerging and applied in recent years. It, beautiful shape, reliable force, large lateral stiffness, is a new structure. However，research on the Diagonal lattice structure are not comprehensive, and less diagonal joints. Generally, the diagonal joints cross-sectional areas are small and suffered a large axial force. This is caused by the special structure. So joints designs are the difficulty of engineering applications. It is necessary to special design and be supplemented by computer for design, analysis and optimization.This paper the background of a Tower project, Dalian，diagonal lattice structure for the outer tube, central waist and complex spatial structure.So the welded spatial tubular joints is very difficult to design. Load-carrying capacity performance in the static about the welded spatial tubular joints, used in Diagonal lattice Structure, were elastic and elastic-plastic analyzed and designed by finite element analysis program. The stress distributions in the loading process on the welded spatial steel tubular joint used in the tower were analyzed under multiple load cases. Load-displacement curves are obtained. Design load-carrying capacity, yield load-carrying capacity, ultimate load-carrying capacity of such information under multiple load cases are identified also. The role of joints pipe wall and splice plates were analyze and the impact of load-carrying capacity. Comparative analyses of cast steel joints on the performance in the same case are taken.Comparative analyses with X-uniplanar joint in the existing steel structure design with multiple parameters prove that the code is not suitable for the calculation of such joints. The pape have been summarized in a formula, based on the code, for the ultimate load-carrying capacity and design load-carrying capacity of the welded spatial tubular joints. The paper providesa comparative analysis with formula in the current code, and has been summarized in a formula, based on the code, for the ultimate load-carrying capacity and design load-carrying capacity of the welded spatial tubular joints.The paper also focuses on analysis of the interaction between joints, transparent area in the tower, and ring beam. the rational method to as a whole between the ring beam and the welded spatial tubular joints is studied. Comparative analysis of various forms of joints load-carrying capacity, as with or without plate, ring beam, are taken under five Load conditions. And Ring beam and the plate on the load-carrying capacity performance are clear. The joints load capacity, installation of ring beam and plate, providing a lateral support points, improve significantly, if there is a big role-plane bending moment. The role of plate is more effective.than the ring beam, which bear a small load. However, little effect on the node capacity plate, ring beam have an adverse effect on the node as joints exists torsion.Other nodes in the tower also carried out on the design and calculation. Some conclusions and recommendations are drawn through a comprehensive analysis, that designers can be a referenceKeywords: Diagonal lattice Structure, Welded Spatial Tubular Joint, Load-carrying Capacity, Finite Element第一章绪论1.1 引言1.1.1 课题背景工程介绍本课题来源于大连某观光塔工程，如图1.1所示。
该塔塔高122.5m，采用筒中筒结构体系，外筒为斜交网格结构，内筒为桁架筒。
斜交网格外筒高92.6m，桁架筒高97.3m 。
楼层布置关于外筒直径最小处上下对称布置，楼层标高分别为 6.3m 、10.3m 、14.3m 、18.3m 、74.3m 、78.3m 、82.3m 、86.3m ，标高从18.3m 到74.3m 共56m 高度区间段内没有楼板等为斜柱提供侧向支撑。