焊接空心球节点是网架、网壳中应用最广的节点形式之一,它具有构造简单、传力明确、连接方便等优点。在为2008年奥运会兴建的国家游泳馆中心的“水立方”工程中采用了配合正方形钢管、矩形钢管的焊接空心球节点,但目前的研究都针对配合圆钢管的焊接球节点,对配合方钢管和矩形钢管的焊接球节点尚无相关研究。本文采用有限元分析、试验研究以及简化理论解三条途径,系统研究这两种节点在轴力、弯矩以及二者共同作用下的受力性能和破坏机理,最终目标是建立其实用计算方法。 首先,本文在查阅大量国内外相关文献的基础上,较为详细地叙述了焊接空心球节点的发展过程与研究现状,总结了40多年来有关焊接空心球节点的承载力计算公式。指出了论文的研究背景,并明确论文的主要研究内容。 针对方钢管焊接空心球节点特有的几何特征定义了坐标体系,给出了它的计算模型,然后应用薄壳理论推导了壳体理论公式,根据计算模型和坐标体系,给出了壳体的连接条件和边界条件。由于方钢管焊接空心球壳薄壳理论公式比较复杂,应用解析法很难求得其解析解,最后采用有限元方法对其进行了弹性分析。 采用理想弹塑性应力—应变关系和Von—Mises屈服准则、同时考虑几何非线性的影响,建立了方钢管、矩形钢管焊接空心球节点的有限元分析模型,对影响方钢管、矩形钢管焊接空心球节点承载力的一些重要参数进行了深入分析。对轴力和弯矩共同作用的焊接空心球节点的研究表明,轴力—弯矩相关关系与节点的几何参数无关,这极大地简化了轴力与弯矩共同作用下节点承载力的计算方法。此外,分析了方钢管、矩形钢管焊接空心球节点在轴力、弯矩以及二者共同作用下的应力分布情况。 根据焊接空心球节点在荷载作用下的破坏具有冲剪破坏的特征,在冲切面上剪应力起控制作用的原理,推导了方钢管、矩形钢管焊接空心球节点在轴力、弯矩以及二者共同作用下的简化理论解,给出节点计算公式的初步形式。 为进一步深入了解方钢管、矩形钢管焊接空心球节点的受力性能和破坏机理,验证理论和有限元模型的正确性,对3种不同规格的10个焊接球节点(其中6个配合方钢管、4个配合矩形钢管)进行了试验研究。 综合简化理论解、有限元分析和试验结果,给出了方钢管、矩形钢管焊接空心球节点在轴力、弯矩以及二者共同作用下的实用计算公式,可供实际工程设计采用,也为相关规程的修订提供了依据。