国家体育场焊接方管桁架双弦杆KK节点设计研究

结合国家体育场大跨度钢结构设计,提出任意角度相交焊接方管桁架双弦杆KK节点的几何构型方法,可用于各种复杂角度的腹杆汇交、弦杆呈折线形、弦杆侧壁与腹杆侧壁不垂直等多种情况,适用范围较大。通过调整节点域板件的角度,改善其构造的合理性。综合采用调整板厚、设置加劲肋等措施,提高节点的承载力,实现“强节点”的设计理念。双弦杆KK节点的缩尺模型试验表明,试件的应力分布与有限元计算非常接近,节点具有较大的安全储备。     

国家体育场焊接方管桁架单K节点试验研究

为考察构造复杂的国家体育场焊接方管桁架单K节点的受力性能和承载力,进行了两个典型节点的1∶3缩尺比例的模型试验和有限元分析。试验结果表明,节点强于杆件,节点的极限承载力都能达到设计荷载水平的2倍以上,且节点区范围内的板件未观察到局部失稳或断裂现象。有限元分析能较好地模拟试验现象。试验结果和有限元分析结果证明,节点区的板件局部加厚和内置加劲肋等加强措施是有效的。     

国家体育场桁架柱外柱节点设计研究

国家体育场桁架柱外柱节点的几何关系复杂,存在T型、K型及KT型等多种腹杆形式,腹杆侧壁与外柱壁板斜交,还存在与立面次结构相交的情况。焊接薄壁箱形构件相贯节点的刚度差,承载力低。本文通过在外柱内设置横向加劲肋与局部纵肋等构造做法,可以有效提高节点刚度与承载力。对于有次结构的外柱节点,次结构的上、下壁板不能全部贯通,在保证腹杆与外柱传力可靠的前提下,在外柱节点区设置传力三角区。对于K型腹杆节点,翼缘较厚的腹杆贯通;对于KT型腹杆节点,中间腹杆贯通。通过合理设计拼接焊缝位置、采用整板切割等方式,可以有效减少焊缝数量,避免焊缝重叠。采用有限元法分析外柱节点的受力形态,并根据“最大平均应力”的原则确定节点域板件的厚度,实现“强节点”的设计理念,保证节点的可靠性与经济性。     

国家体育场桁架柱内柱节点设计研究

国家体育场钢结构桁架柱的内柱节点杆件数量多,几何关系复杂,是结构受力的关键部位。本文提出大尺寸焊接薄壁菱形截面内柱节点的几何构型方法,使菱形内柱与腹杆同宽,可以适用于任意角度腹杆相交的情况。在内柱节点域内设置横向加劲肋与局部竖向加劲肋,可以有效地增强节点的刚度,实现“强节点”的设计理念,确保节点构造的可靠性与经济性。通过合理设置拼接焊缝位置以及采用整板切割等方式,有效地控制焊缝的数量与位置。采用有限元法研究节点的受力形态,通过合理调整板件厚度,避免节点出现应力集中。     

国家体育场桁架柱内柱多腹杆焊接节点性能研究

对国家体育场钢结构桁架柱的节点进行了比例为1∶5的缩尺模型试验研究和有限元分析。该节点为主桁架梁与桁架柱的连接节点,由1根菱形内柱与11根箱形截面腹杆形成的复杂空间管节点,并且节点内布置了许多加劲肋。论文介绍了节点的试验方法,描述了整个加载过程中节点行为和最后的破坏模式。从节点受力性质、构造、几何尺寸等角度,讨论了节点的破坏机理。研究表明节点的薄弱环节出现在受压腹杆,发生局部屈曲。弦杆内设置加劲肋是防止弦杆板件塑性破坏和局部屈曲的有效构造措施。论文提出了实际结构中该节点设计和制作时应采取的措施。     

国家体育场焊接方管桁架双弦杆KK型节点试验研究

正在建设的国家体育场两两斜交的主桁架构成了许多双弦杆焊接方管KK型节点,该节点连接焊缝密集,构造极其复杂。本文对这种在管结构中较为独特的节点进行了1∶4的缩尺模型承载力试验研究,详细介绍了节点的试验方法和结果,讨论了节点的受力性能、破坏模式以及节点内部加劲肋的作用。研究表明该节点的构造措施较完善可靠,节点具有较高的承载力。节点的薄弱部位处在受压腹杆端部,发生局部屈曲。弦杆内部纵横向加劲肋的设置有效地增强了节点强度和刚度。腹杆端部的局部放大改善了腹杆向弦杆的传力,降低了应力集中。     

K型、KK型搭接方管节点的试验研究

通过对12个搭接方管节点的静力试验, 研究了不同搭接率Ov、支弦杆宽度比β下的K型、KK型部分搭接方管节点的极限承载力、失效模式与破坏机理。节点的失效模式有受压支杆在靠近两支杆搭接区域的局部屈曲、弦杆壁面在拉杆根部以外区域的局部屈曲和受拉支杆沿两支杆搭接处的断裂。应用ANSYS程序对试件进行了弹塑性大挠度分析, 其计算结果与试验结果吻合良好, 验证了ANSYS程序用于节点静力性能分析的可行性。同时, 将试验结果与CIDECT公式计算结果进行了比较, 指出了公式中的不足之处和有待于进一步研究的问题。     

国家体育场桁架柱外柱节点试验研究

国家体育场焊接箱形截面桁架柱外柱节点中采用了内设加劲肋的K型搭接节点,且部分节点与次结构腹杆相连接。为考察此类构造复杂的桁架外柱节点的静力承载性能,分别进行了无次结构和有次结构外柱节点的1∶4缩尺模型试验和有限元分析。本文详细介绍了节点试验的试验方法和结果,给出了节点的应变发展规律、受力性能和破坏模式。试验结果和有限元分析结果表明,采取了内设加劲肋等加强措施的桁架柱外柱节点具有较高的承载性能,节点强于杆件。     

焊接薄壁箱形构件在国家体育场中的应用研究

研究了在焊接箱型截面构件内部合理设置横向和纵向加劲肋的方法,分析了设置纵向加劲肋对提高构件承载力的影响,并通过非线性有限元法对薄壁箱形构件的抗震性能进行了分析。     

K型间隙方管节点轴向刚度的参数分析

利用ANSYS软件,采用大规模参数分析的手段,对K型问隙方管节点的轴向刚度进行了研究;通过单参数分析,明确了各个参数对节点刚度性能的影响,揭示了节点刚度随各个参数的变化规律.得出了一些有用的结论,以期对工程设计能有所帮助.     

国家体育场屋盖次结构扭曲构件设计研究

国家体育场屋盖肩部次结构扭曲构件以受弯为主,构件壁厚很薄,板件容易发生局部屈曲。对扭曲构件受力机理进行了深入的研究,提出设置内部加劲肋的方式提高箱形扭曲构件的抗弯刚度,减小板件的面外变形。通过调整加劲肋间距,使扭曲构件与分段折线箱形构件的强度与刚度相等。在确定加劲肋形状时,综合考虑焊接操作空间、节约材料等因素。设计过程中除进行大量有限元计算分析外,还进行了缩尺模型试验,验证设计方法的可靠性。     

国家体育场扭曲箱形构件拉伸试验

为研究国家体育场钢结构扭曲箱形构件的抗拉性能,完成了2个1/4缩尺试件在单调拉伸荷载作用下的试验与参数影响计算分析,试件的变化参数为加劲肋间距。试验结果表明:试件的拉力-位移曲线呈双线性特征,试件受拉屈服发生在靠弯曲中心一侧的上翼缘与相邻腹板;受拉屈服荷载为1100kN;两个试件的弹性抗拉刚度分别为593kN/mm与614kN/mm;屈服后强化段抗拉刚度分别为39kN/mm与36kN/mm,分别为弹性抗拉刚度的6.6%与5.9%;卸载刚度均为930kN/mm,分别为弹性抗拉刚度的157%与151%。加劲肋间距从300mm减小到225mm,试件的抗拉刚度增加了5%,刚度提高有限。有限元计算结果与试验结果基本一致。     

国家体育场大型柱脚-混凝土承台设计研究

根据国家体育场大跨度钢结构柱脚的受力特点,提出一种适用于大型钢结构的新型半埋入柱脚形式。在柱脚-混凝土承台模型的有限元分析与柱脚锚固件的锚固性能试验的基础上,形成了大型柱脚-混凝土承台的设计方法。该类柱脚在国家体育场钢结构中的实际应用情况表明,本文提出的柱脚形式与设计方法对于大型钢结构具有很好的适用性和广泛的应用前景。     

国家体育场扭曲箱形构件抗弯试验

为研究国家体育场钢结构扭曲箱形构件的抗弯性能,完成了4个1/2.5缩尺试件的往复加载试验,试件的变化参数为壁板宽厚比和箱形截面内的加劲肋间距。试验结果表明,试件的破坏形态为壁板受压局部屈曲导致丧失承载能力,板件宽厚比过大是导致局部屈曲的主要原因。壁板宽厚比为120、加劲肋间距与壁板厚度之比由120减小至80时,试件的初始刚度增加很少,抗弯承载力和变形能力没有增大;壁板宽厚比为80、加劲肋间距与壁板厚度之比由84减小至54时,或加劲肋间距与壁板厚度之比为80、壁板宽厚比由120减小至80时,试件的初始刚度增加,抗弯承载力增大,抗弯性能得到改善。     

国家体育场主结构扭曲箱形构件设计研究

根据国家体育场屋盖结构的构型原则,扭曲箱形构件的轴线保持在同一平面内,可视为由一系列曲率半径不同的弧形曲线构成。扭曲箱形构件受力机理复杂,影响因素较多。在设计中经过大量的计算分析、试验研究与加工工艺研讨,提出设置横向加劲肋的方法,通过在扭曲箱形构件设置内部加劲肋的方式改善扭曲箱形构件的应力分布,有效约束弧形板件的面外变形,增强构件的整体刚度。通过调整板件厚度、加劲肋间距等措施,使实体模型达到与杆件模型强度等效和刚度等效;在确定加劲肋形状时兼顾焊接操作空间、节约材料等方面的因素。