圆钢管相贯节点非刚性性能及对结构整体行为的影响效应_（中国）王伟.pdf

书 书 书内 容 提 要本书提出了基于结构整体行为的钢管节点性能化设计思想，设定了圆钢管相贯节点非刚性静、动力性能及其对钢管结构整体行为的影响效应这两大研究主题。在评述国内外相关领域研究现状的基础上，从理论和试验两个方面对这两大主题进行了多角度的深入研究与探讨。本书适合相关专业高校师生和研究人员阅读。图书在版编目（C I P）数据圆钢管相贯节点非刚性性能及对结构整体行为的影响效应王伟著.上海：同济大学出版社，2 0 1 9.2（同济博士论丛伍江总主编）I SBN9 7 8 7 5 6 0 8 7 0 4 7 2.圆.王.钢管 节点 性能 研究钢管结构 研究.TG1 4 2TU3 9 2.3中国版本图书馆C I P数据核字（2 0 1 7）第0 9 3 3 8 0号圆钢管相贯节点非刚性性能及对结构整体行为的影响效应王伟著陈以一审出 品 人华春荣责任编辑葛永霞蒋卓文责任校对谢卫奋封面设计陈益平出版发行同济大学出版社www.t o n g j i p r e s s.c om.c n（地址：上海市四平路1 2 3 9号邮编：2 0 0 0 9 2电话：0 2 1 6 5 9 8 5 6 2 2）经销全国各地新华书店排版制作南京展望文化发展有限公司印刷浙江广育爱多印务有限公司开本7 8 7mm1 0 9 2mm11 6印张1 7字数3 4 00 0 0版次2 0 1 9年2月第1版2 0 1 9年2月第1次印刷书号I SBN9 7 8 7 5 6 0 8 7 0 4 7 2定价7 8.0 0元本书若有印装质量问题，请向本社发行部调换版权所有侵权必究书 书 书“同济博士论丛”编写领导小组组长：杨贤金钟志华副 组 长：伍江江波成员：方守恩蔡达峰马锦明姜富明吴志强徐建平吕培明顾祥林雷星晖办公室成员：李兰华春荣段存广姚建中“同济博士论丛”编辑委员会总 主 编：伍江副总主编：雷星晖编委会委员：（按姓氏笔画顺序排列）丁晓强万钢马卫民马在田马秋武马建新王磊王占山王华忠王国建王洪伟王雪峰尤建新甘礼华左曙光石来德卢永毅田阳白云霞冯俊吕西林朱合华朱经浩任杰任浩刘春刘玉擎刘滨谊闫冰关佶红江景波孙立军孙继涛严国泰严海东苏强李杰李斌李风亭李光耀李宏强李国正李国强李前裕李振宇李爱平李理光李新贵李德华杨敏杨东援杨守业杨晓光肖汝诚吴广明吴长福吴庆生吴志强吴承照何品晶何敏娟何清华汪世龙汪光焘沈明荣宋小冬张旭张亚雷张庆贺陈鸿陈小鸿陈义汉陈飞翔陈以一陈世鸣陈艾荣陈伟忠陈志华邵嘉裕苗夺谦林建平周苏周琪郑军华郑时龄赵民赵由才荆志成钟再敏施骞施卫星施建刚施惠生祝建姚熹姚连璧袁万城莫天伟夏四清顾明顾祥林钱梦騄徐政徐鉴徐立鸿徐亚伟凌建明高乃云郭忠印唐子来訚耀保黄一如黄宏伟黄茂松戚正武彭正龙葛耀君董德存蒋昌俊韩传峰童小华曾国荪楼梦麟路秉杰蔡永洁蔡克峰薛雷霍佳震秘书组成员：谢永生赵泽毓熊磊丽胡晗欣卢元姗蒋卓文在同济大学1 1 0周年华诞之际，喜闻“同济博士论丛”将正式出版发行，倍感欣慰。记得在1 0 0周年校庆时，我曾以百年同济，大学对社会的承诺为题作了演讲，如今看到付梓的“同济博士论丛”，我想这就是大学对社会承诺的一种体现。这1 1 0部学术著作不仅包含了同济大学近1 0年1 0 0多位优秀博士研究生的学术科研成果，也展现了同济大学围绕国家战略开展学科建设、发展自我特色，向建设世界一流大学的目标迈出的坚实步伐。坐落于东海之滨的同济大学，历经1 1 0年历史风云，承古续今、汇聚东西，秉持“与祖国同行、以科教济世”的理念，发扬自强不息、追求卓越的精神，在复兴中华的征程中同舟共济、砥砺前行，谱写了一幅幅辉煌壮美的篇章。创校至今，同济大学培养了数十万工作在祖国各条战线上的人才，包括人们常提到的贝时璋、李国豪、裘法祖、吴孟超等一批著名教授。正是这些专家学者培养了一代又一代的博士研究生，薪火相传，将同济大学的科学研究和学科建设一步步推向高峰。大学有其社会责任，她的社会责任就是融入国家的创新体系之中，成为国家创新战略的实践者。党的十八大以来，以习近平同志为核心的党中央高度重视科技创新，对实施创新驱动发展战略作出一系列重大决策部署。党的十八届五中全会把创新发展作为五大发展理念之首，强调创新是引领发展的第一动力，要求充分发挥科技创新在全面创新中的引领作用。要把创新驱动发展作为国家的优先战略，以科技创新为核心带动全面创新，以体制机制改革激发创新活力，以高效率的创新体系支撑高水平的创新型国家建设。作为人才培养和科技创新的重要平台，大学是国家创新体系的重要组成部分。同济大学理当围绕国家战略目标的实现，作出更大的贡献。大学的根本任务是培养人才，同济大学走出了一条特色鲜明的道路。无论是本科教育、研究生教育，还是这些年摸索总结出的导师制、人才培养特区，“卓越人才培养”的做法取得了很好的成绩。聚焦创新驱动转型发展战略，同济大学推进科研管理体系改革和重大科研基地平台建设。以贯穿人才培养全过程的一流创新创业教育助力创新驱动发展战略，实现创新创业教育的全覆盖，培养具有一流创新力、组织力和行动力的卓越人才。“同济博士论丛”的出版不仅是对同济大学人才培养成果的集中展示，更将进一步推动同济大学围绕国家战略开展学科建设、发展自我特色、明确大学定位、培养创新人才。面对新形势、新任务、新挑战，我们必须增强忧患意识，扎根中国大地，朝着建设世界一流大学的目标，深化改革，勠力前行！万钢2 0 1 7年5月论丛前言承古续今，汇聚东西，百年同济秉持“与祖国同行、以科教济世”的理念，注重人才培养、科学研究、社会服务、文化传承创新和国际合作交流，自强不息，追求卓越。特别是近2 0年来，同济大学坚持把论文写在祖国的大地上，各学科都培养了一大批博士优秀人才，发表了数以千计的学术研究论文。这些论文不但反映了同济大学培养人才能力和学术研究的水平，而且也促进了学科的发展和国家的建设。多年来，我一直希望能有机会将我们同济大学的优秀博士论文集中整理，分类出版，让更多的读者获得分享。值此同济大学1 1 0周年校庆之际，在学校的支持下，“同济博士论丛”得以顺利出版。“同济博士论丛”的出版组织工作启动于2 0 1 6年9月，计划在同济大学1 1 0周年校庆之际出版1 1 0部同济大学的优秀博士论文。我们在数千篇博士论文中，聚焦于2 0 0 5-2 0 1 6年十多年间的优秀博士学位论文4 3 0余篇，经各院系征询，导师和博士积极响应并同意，遴选出近1 7 0篇，涵盖了同济的大部分学科：土木工程、城乡规划学（含建筑、风景园林）、海洋科学、交通运输工程、车辆工程、环境科学与工程、数学、材料工程、测绘科学与工程、机械工程、计算机科学与技术、医学、工程管理、哲学等。作为“同济博士论丛”出版工程的开端，在校庆之际首批集中出版1 1 0余部，其余也将陆续出版。博士学位论文是反映博士研究生培养质量的重要方面。同济大学一直将立德树人作为根本任务，把培养高素质人才摆在首位，认真探索全面提高博士研究生质量的有效途径和机制。因此，“同济博士论丛”的出版集中展示同济大学博士研究生培养与科研成果，体现对同济大学学术文化的传承。“同济博士论丛”作为重要的科研文献资源，系统、全面、具体地反映了同济大学各学科专业前沿领域的科研成果和发展状况。它的出版是扩大传播同济科研成果和学术影响力的重要途径。博士论文的研究对象中不少是“国家自然科学基金”等科研基金资助的项目，具有明确的创新性和学术性，具有极高的学术价值，对我国的经济、文化、社会发展具有一定的理论和实践指导意义。“同济博士论丛”的出版，将会调动同济广大科研人员的积极性，促进多学科学术交流、加速人才的发掘和人才的成长，有助于提高同济在国内外的竞争力，为实现同济大学扎根中国大地，建设世界一流大学的目标愿景做好基础性工作。虽然同济已经发展成为一所特色鲜明、具有国际影响力的综合性、研究型大学，但与世界一流大学之间仍然存在着一定差距。“同济博士论丛”所反映的学术水平需要不断提高，同时在很短的时间内编辑出版1 1 0余部著作，必然存在一些不足之处，恳请广大学者，特别是有关专家提出批评，为提高同济人才培养质量和同济的学科建设提供宝贵意见。最后感谢研究生院、出版社以及各院系的协作与支持。希望“同济博士论丛”能持续出版，并借助新媒体以电子书、知识库等多种方式呈现，以期成为展现同济学术成果、服务社会的一个可持续的出版品牌。为继续扎根中国大地，培育卓越英才，建设世界一流大学服务。伍江2 0 1 7年5月书 书 书前言1 钢管是大跨度公共建筑、中高层建筑和高耸结构中广泛应用的构件型式。目前我国正在兴建的国家体育场（“鸟巢”）、广州电视塔（世界第一高塔）等重大工程均采用钢管结构。钢管结构与其他钢结构的重要不同在于管与管连接的设计。空间结构钢管构件之间的连接通常采用相贯节点型式，即将一构件直接焊于另一构件的表面，不设任何加劲单元。当相贯节点受荷载作用后，其相邻杆件的连接面发生局部变形，不仅引起相对转动，也产生相对杆轴的位移。这种由几何构造导致节点所具有的独特非刚性性质将对钢管结构的内力、变形以及整体稳定承载力等产生重要影响。尽管近年来钢管结构在我国的应用取得了迅猛发展，但对钢管节点非刚性性能的认识和研究还远远滞后于工程建设的需求，一方面，给工程设计的安全性和经济性造成了不利影响；另一方面，也制约了与基于性能的结构设计思想相适应的钢管结构高等分析理论的发展。基于上述背景，本书提出了基于结构整体行为的钢管节点性能化设计思想，设定了圆钢管相贯节点非刚性静、动力性能及其对钢管结构整体行为的影响效应这两大研究主题。在评述国内外相关领域研究现状的基础上，从理论和试验两个方面对这两大主题进行了多角度的深入研究与探讨。首先进行的是圆钢管相贯节点非刚性性能静力试验研究。研制了适用于多种几何形式和多种受力组合的节点性能试验装置，设计了可有效降低扰动影响的节点刚度间接测试方法，分别对2个X形和2个KK形节点在多种圆钢管相贯节点非刚性性能及对结构整体行为的影响效应 荷载工况组合下的刚度和承载力进行试验，并利用板壳有限单元对节点试件进行非线性有限元分析，最后对节点非刚性静力性能作出评价。结果表明，在一定的几何参数条件下，相贯节点在直至相连腹杆达到屈服强度之前，可以作为全刚接抗弯节点看待。特定钢管结构中全刚接节点和半刚接节点的几何参数分界值的确定，尚有待于更多试验数据和理论分析数据的归纳。此书为今后研究提供了试验基础和比较依据，并校验了有限元分析的适用性。随后，本书对相贯节点非刚性性能影响参数的识别与计算进行了系统的分析研究。从对相贯节点变形机理的描述入手，阐述了局部刚度的定义。然后运用正交试验设计方法建立计算模型，分别对9个T形和Y形节点、2 5个K形节点进行数值模拟分析，通过多元回归技术，建立它们的刚度系数或柔度系数的计算公式。计算结果表明，腹杆与弦杆的直径比、弦杆的径厚比这两个因素对圆管相贯节点的刚度有比较显著的影响，而腹杆与弦杆的壁厚比影响较小。通过对现有国内外计算公式的比较和基于国际钢管节点试验数据库的统计分析，本书建立了具有较高精度和可靠性的相贯节点抗弯承载力计算公式。在此基础上，通过采用同时考虑几何非线性与材料非线性的有限元分析技术，进一步建立了T形相贯节点M 关系的全过程非线性模型，以便在空间钢管结构的整体分析中考虑节点的非线性全过程变形行为。在从试验研究和理论计算两个方面分析了相贯节点的非刚性特征之后，本书将梁柱框架半刚性节点分析理论拓展至空间钢管结构体系，选取空腹格构梁为研究对象，建立了可有效反映钢管节点非刚性性能的子结构模型，从结构整体变形层面上建立了钢管非刚性节点刚度判定准则。Wa r r e n型钢管格构梁和单层肋环型球面网壳也是对节点刚度具有较大敏感性的钢管结构，本书根据其不同的特性建立了不同的非刚性节点单元模型组配策略，并编制了集成多个自由度特性及多支管耦联效应的数值计算模块，引入结构整体线弹性数值分析和非线性数值分析中，考察了节点性能对结构整体行为的影响效应。计算结果表明，对于Wa r r e n型钢管格构梁，采用铰接节点假定确定前言 杆件轴力具有足够