第 1 章 绪 论
1.1研究的背景及节点的特点
由于具有自重轻、结构可靠、强度高、抗震性能好等诸多优点，再加上近年来国民经济的高速发展以及钢材生产能力的大大提升，钢结构建筑得到迅猛的发展。钢桁架是钢结构中最主要的结构类型之一。钢桁架按空间受力关系可分为平面桁架和空间桁架。平面桁架在横向荷载作用下的受力实质是格构式的梁。钢桁架与实腹式的钢梁相比较，其特点是以弦杆代替翼缘和以腹杆代替腹板，而在各节点处通过节点板(或其它零件)用焊缝或其它连接将腹杆和弦杆互相连接；有时也可不用节点板而直接将各杆件互相焊接(或其它连接)。这样，钢桁架整体在受到弯矩时的表现为上、下弦杆的轴心受压和受拉，剪力则表现为各腹杆的轴心受压或受拉。基于以上分析，钢桁架可以通过对其内的弦杆及腹杆进行合理地布置，使得各组成构件以轴向受力为主，材料的受力性能得到充分发挥。这样可以节省大幅度节省钢材，反过来又进一步的减轻结构的自重。因此，钢桁架被广泛地应用于各大跨度结构当中。著名建筑物例如美国新河谷大桥、南通体育会展中心、武汉火车站、罗宾机场等，是钢结构桁架大跨度应用的几大杰作。作为一个世界顶级的项目——阿布扎比国际机场航站楼项目(Abu Dhabi International Airport)，也是钢结构桁架大跨度这一特点工程应用的典范(工程效果图见图 1.5)。阿布扎比国际机场航站楼的屋顶结构层由 18 个主拱桁架与 36 个次拱桁架组成。主拱桁架跨度最大长达 179.4m,主拱桁架跨度最小也长达 70.85m，拱桁架平面布置如图 1.6 所示。
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1.2国内外研究现状及分析
节点是结构的“关节”，是结构中力的交汇之处。节点性能的可靠性，关系到结构系统的安全性。在钢结构建筑中，节点在工程中的总重量不到 10%，但在工程中的总造价却可达到 40%。节点连接在钢结构中显得至关重要。目前国内外关于方支管－H 型钢弦杆 T 形节点作了以下研究：在作者所查阅的文献当中，J.Wardenier［19］[20][21]最早提出了矩形管作腹杆，工字钢作弦杆焊接节点的连接方式，针对“Y”字形节点做了试验，认为“T”字形节点只是“Y”形节点的一种特殊形式；指出了节点的受压、受剪以及受弯的破坏模式，其最终的节点破坏模式可能是其中几种模式的叠加；指出该形式节点的承载力起决定性作用的破坏模式：在腹杆与弦杆的连接处腹杆屈服或 H 型钢弦杆的腹板屈服，提出了方管腹管破坏时的截面的取值模型(见图 1.8)及 H 型钢弦杆腹板屈服模型(见图 1.9)，并给出了承载力计算公式；规定了各种情况下的承载力计算公式和适用范围。该计算方法现已被欧洲标准 Eurcode3[22]采用。2012-2013 年间，陈誉[23][24]等做了该形式节点的试验以及数值分析：采用支管截面分别为 80×80×2.5、120×120×2.8 的方管和弦杆截面为 200×200×8×12 的 H型钢设计成两组方支管－H 型钢主管 T 形节点，在方管上施加轴向压力，发现节点最终破坏模式为薄壁方管产生了屈曲（见图 1.10）。并依据此研究结果，设计了 90 度角和 45 度角的两种方管外加肋形式变化以及加劲肋厚度为 6mm 和 8mm 变化形式的共四种方案实验的节点，研究了不同方案对于节点方管轴压性能的影响（见图 1.11）。该研究通过对实验与有限元分析所获取的数据进行统计和归类分析，并用 matlab 软件进行拟合分析，在 J.Wardenier 等人提出的计算公式基础之上分别针对于弦杆与腹杆的承载力计算提出了相应的修正系数，并给出了节点承载力计算公式[25]。修正后的节点承载力计算公式补足了 Eurcode 3 中计算公式的不足之处，使得节点的承载力计算更加精确。
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第 2 章 有限元分析验证
2.1 概述
在电子计算机科学的飞速发展的今天，有限元分析的方法也越来越广泛地应用于电磁学、热学、医学、机械工程、土木工程等众多领域的研究。由于有限元分析方法具有省时、节省研究成本等诸多优点而越来越受到各领域研究人员和工程技术人员的亲睐。在土木工程领域，对于一些巨大的工程项目中的问题，工程试验的方法固然可行，但往往难免要消耗大量人力、物力与财力，这使得工程项目的成本自然而然的上升。有限元分析的方法正好可以避免这些问题，因此其在土木工程方向更是得到推广。然而，有限元软件分析的精度直接关系工程结构安全性与可靠度。盲目的不结合实际的仿真虽然可以得到一些结果，其实际上对于工程结构来说却存在着安全隐患。所以，有限元仿真的精度在工程研究与应用上起着决定性的作用。ansys 是美国 ANSYS 公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，是世界范围内首屈一指、增长最快的计算机辅助工程（CAE）软件，能与多数计算机辅助设计（CAD，computer Aided design）软件接口，实现数据的共享和交换，如Creo, NASTRAN, Alogor, I－DEAS, AutoCAD 等。软件融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体，提供结构静力分析、结构动力学分析、结构非线性分析、动力学分析、热分析、电磁场分析、流体动力学分析、声场分析、压电分析等多种分析类型。该软件主要包括前处理模块，分析计算模块和后处理模块。用 ansys 进行有限元分析，典型的分析过程如图 2.1 所示。本章就参考文献[24]中的“方支管－H型钢主管T型轴压节点静力性能试验研究”中的无肋方案试验数据为依据，采用 ansys 有限元软件，围绕着单元选取和初始缺陷的引入两个方面进行展开,研究 ansys 有限元分析精度及相关的影响。在进行这部份研究之前，特向文献[24]的作者表示感谢！
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2.2 既有试验及结果回顾
参考文献[24]中方支管－H 型钢主管 T 形节点轴压性能实验中的 RT11 试件，实验数据如表 2.1 所示。其边界条件及各构件长度尺寸如图 2.2 所示。对于钢结构节点的 ansys 有限元分析，相关的参考文献[27][28]已经证明 shell181 可以较好的对钢结构材料进行有限元模拟，并反应节点的受力。为了进一步完善单元选择的影响，此处针对方支管－H 型钢弦杆 T 形节点的模拟，除了选用 shell181 单元外，还依次选用 solid45、solid45、solid186 等实体单元分别进行模拟。这里先参照参考文献[29]对于这几种单元作个简要的介绍。Solid45 单元适用于实体结构的分析。该单元是一个八节点、在每个节点都有三个移动自由度的单元。Solid45 单元具也具有大变形、大应变能力、生死单元技术和支持初始应力输入等特点。Solid95 单元是一个具有二次位移模式的三维 20 节点实体单元（相对于 solid45 单元来说，在单元每边多中点处多出来一个节点，见图 2.7），是 solid45 单元的高阶版。该单元除了具有 solid45 单元的特点外，还具有能吸收不规则形状的单元而不损失精度的特点。Solid186 单元与 solid95 单元比较类似，是一个高阶 3 维 20 节点的实体单元，该单元还可以用于分析几乎不可压缩或不可压缩的高弹性材料。
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第 3 章 方支管－H 型钢弦杆 T 形节点分析..........21
3.1 工程实例的节点分析.... 22
3.2 节点受力性能的深入探讨.......... 29
3.3 节点屈曲（特征值屈曲）分析......... 41
3.4 小结.... 43
第 4 章 多尺度模型的节点受力性能研究.......44
4.1 多尺度模型...... 44
4.2 有限元分析...... 45
4.3 节点屈曲分析......... 48
4.4 小结.... 51
第 5 章 结论与展望........52
5.1 结论.... 52
5.2 展望.... 52
第 4 章 多尺度模型的节点受力性能研究
结构往往是一个完备的系统。现代系统论强调[36]：人们在认识系统时，应该着重把握整体，同时要兼顾部分，并把二者有机结合起来。在前面几章所做的都是针对于方支管－H型钢弦杆T形节点做的单节点分析，虽说已经做到了“兼顾部份”，但对于节点在整体条件下的受力分析却远远不足。叶列平教授也指出[37]：由于系统组成的复杂性, 结构系统的整体功能取决于构件的组成方式和构件之间的相互作用。采用同样结构构件、但按不同方式组成的结构系统, 其整体性可能表现为截然不同的结果。因此，想要更加全面的了解方支管－H型钢弦杆T形节点的受力性能，该节点在结构整体中的受力分析是很有必要的。但是实际工程中的结构整体往往比较庞大。像这里的T形节点所在的机场拱桁架情况，拱桁架跨度大达到近200米，构件多达上百个。对拱桁架整体进行分析，若要全部采用宏观单元则难以追踪相关节点和构件等的局部失稳和破坏机制；若全部采用微观单元虽说可以解决宏观单元分析的不足之处，但是必然会引起计算量巨大，对计算机硬件条件要求高。为了在精度和计算代价之间寻找一个均衡解决途径，这里采用多尺度模型分析的方法进行。多尺度模型的分析方法，即对所关心的局部或对结构抗震性能有主要影响的部份建立精细模型，其他部分利用宏观模型，通过适当的连接方式，使得宏观模型与微观模型协同计算，更好把握结构的整体受力特征和微观破坏过程，为工程实际提供更为准确的参考依据[38]。
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结论
本文结合方支管－H 型钢弦杆 T 形节点的相关实验结果进行了数值模拟，分别从单一节点的角度和整体的角度展开了节点受力性能的理论分析和数值计算。全文主要结论如下：
(1)对于薄壁方支管－H 型钢弦杆 T 形节点，其最不利的缺陷形式不一定是最低阶屈曲缺陷的形式，有可能是第二阶或更高阶的屈曲模态所对应的缺陷形式。改进的一致性屈曲缺陷方法对于薄壁方支管－H 型钢弦杆 T 形节点受力性能研究依然可行。
(2)初始几何缺陷的引入，会影响节点轴压性能的极限承载力，然而对于节点的刚度无明显的影响。节点几何缺陷幅值的大小宜根据与节点相连的构件综合考虑，而不是随意选择某构件相关的尺寸为基数进行取值。
(3)在节点弦杆上布置加劲肋，可以提高节点的极限承载力，但对于弦杆交接侧翼缘的屈曲作用不明显。
(4)单一节点屈曲分析表明：节点在腹杆受到轴向压力时，弦杆交接侧翼缘容易产生屈曲。当翼缘厚度比较大时，节点的破坏形态往往是弦杆发生整体失稳并且伴随着交接侧翼缘的屈曲。当腹杆受轴向拉力时，节点弦杆屈曲形式较为单一，即弦杆非交接侧翼缘易产生波浪型屈曲。
(5)建立了拱桁架多尺度模型，并进行了节点受力性能的研究。相比单一节点分析，拱桁架中节点弦杆非交接侧翼缘更容易发生屈曲。
(6)与单一节点屈曲分析相比，节点弦杆在结构整体当中呈现更复杂的屈曲形式，具体表现为：截面构件尺寸相同的弦杆，处于结构当中不同的位置的节点，其屈曲形式不同。
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参考文献（略）