本文是一篇土木工程论文，本文采用拟静力的方法对螺栓球节点连接在灾害地震下的超低周疲劳性能展开试验研究，得到了螺栓球节点在大位移往复荷载作用下的破坏过程、破坏特征以及滞回耗能、骨架曲线等抗震性能指标，并基于 ABAQUS 有限元软件对试验过程进行了模拟分析。
第 1 章 绪论
1.1 研究背景
地震作为一种破坏性强、可预见性差的自然灾害，给人类社会带来了巨大的灾难。我国东临环太平洋地震带，南接欧亚地震带，地震活动分布广泛，是世界上遭受地震灾害最严重的国家之一[1]。据统计，我国绝大多数地区都发生过较强的地震，有三分之二的城市位于地震高风险地区[2]。土木工程建筑物倒塌引起的灾害是地震灾害的主要表现形式之一[3]。随着人类社会财富不断的累积，城市化进程不断推进，地震灾害给人类社会带来的损失将会更加严重，对人类财富以及文化的毁灭性也将进一步加大，人们对于建设“韧性城市”的需求越来越迫切。因此如何减少地震灾害带来的损失以及如何在地震后快速恢复其原有功能成为了国内外研究的共同课题[4-6]。
近几十年来，随着国家经济的发展，钢产量不断增加，我国在建筑钢材的使用上，发生了本质性的变化，从最早的限制用钢到合理用钢再到现在的鼓励用钢，这为网格结构的发展提供了契机。空间网格结构建筑整体性能好、抗震性能优越、平面布置灵活、易于实现安装制作的标准化、外表美观大方等优点也极大的推进了网格结构的发展。从20 世纪 90 年代开始，我国每年新建的网格结构建筑大约为 1000 座，覆盖面积达到了150 万平米以上，该类建筑如雨后春笋般地涌现在祖国的大地上，在大型体育馆、展览会议中心以及车站机场等公共建筑中得到了广泛的应用[7, 8]，并且在今后依然具有强劲的发展潜力，空间结构的发展成为衡量一个国家科技、工业发展的重要指标。在国内外数次灾难地震后灾民避难和救灾情况调查中发现空间网格结构建筑除具备日常公共活动的功能外，往往还应该在发生地震灾难或其他自然灾害时，为人们提供避难所以及作为救灾据点使用[9, 10]，为此，其在灾难地震下的安全性直接影响地震后避难与救灾的成效。众多震害调查及研究均表明，一向以抗震性良好著称的该类结构在灾难地震作用下，杆件和节点经历了数次大塑性应变的过程，其破坏具有超低周疲劳破坏的特征。因此，对空间网格结构在灾难地震下的超低周疲劳性能以及对其进行损伤评估的研究成为防灾减灾与建设韧性城市的重要课题[11]。
1.2 螺栓球节点及超低周疲劳试验研究现状
1.2.1 螺栓球节点研究现状
在空间网格结构中，杆件汇交于节点处，节点的受力最为集中。作为结构保持整体性的重要组成部分，节点失效退出工作会引起结构内力重分布，失效的节点和与其相连接杆件所承受的荷载将传递给相邻构件，可能使得相邻构件承载力大于设计值，进一步引起局部倒塌或者连续倒塌问题，后果不堪设想，因此对螺栓球节点性能的研究十分重要。国内外对螺栓球节点的研究主要集中在：部件承载能力、半刚性、安装缺陷和高温对其性能的影响以及高周疲劳性能的研究。
锥头和螺栓球在螺栓球节点传递荷载时发挥着重要的作用，为了提出锥头强度设计的手工计算公式和优化螺栓球直径的设计方法，学者针对螺栓球节点锥头承载力和螺栓球直径的设计做了以下研究：
1996 年陈学潮[17]对 14 种不同构造参数的锥头进行了有限元分析，得到其极限承载力计算结果。结果表明，锥头的极限承载力与其尺寸规格之间呈指数函数的关系，采用数学中多元非线性回归的方法，拟合出锥头弹性和塑性承载力的计算公式，公式计算与有限元分析的结果相差不大，但是该公式较为复杂，为了进一步简化锥头承载力计算公式，作者将原公式中指数接近的项合并，指数小的项舍去，新的公式具有较好的精度且更便于手工计算。
2008年陈龙中[18]对大直径螺栓球节点锥头承载力展开研究，通过有限元分析的方法得到了钢管直径、高强螺栓直径以及锥头的各项几何参数对锥头承载力的影响。采用多元非线性回归分析理论，拟合出了可考虑几何参数的大直径锥头承载力计算公式。
第 2 章 螺栓球节点连接试件超低周疲劳试验设计
2.1 引言
众所周知，节点作为结构中关键的一环，其抗震性能的优劣，直接决定了整体结构抗震性能的好坏。通过前述的文献研究与震害调查结果表明，螺栓球节点中高强螺栓连接失效在强震下时有发生，其典型的震害现象有：高强螺栓螺杆弯曲和断裂，在强震下易发生超低周疲劳破坏，因此，对螺栓球节点在强震下超低周疲劳性能的研究显得尤为重要。目前单独针对螺栓球节点在往复荷载作用下超低周疲劳性能的试验研究相对较少，故课题组根据国家自然基金的要求，对螺栓球节点以及配套的圆钢管组合试件展开了超低周疲劳试验研究。设计的螺栓球节点与圆钢管的组合试件能将节点域对其超低周疲劳性能的影响考虑在内，试件模型将更符合螺栓球节点在实际中的工作状态。
螺栓球网架结构的设计中，节点假设为铰接，杆件只承受轴向拉力或压力，故设计三向限位支撑来阻止试件上部螺栓球轴向以外的位移，安装时通过调节限位支撑螺杆的长度来调整安装偏心，以保证试件只受轴向力。限位支撑的工作原理如图 2-10 所示，其主要由三个部分组成：三根长度可调节的圆钢管、固定在加载支架上的竖向滑槽和联系二者的一端带抓爪一端为封板的圆钢管，通过调节法兰盘上三组螺杆的长度，来实现对圆钢管长度的调节。安装定位时，通过两台激光水平仪相互配合来消除安装时的误差，以保证三个支撑都在同一个水平面内。加载时抓爪在滑槽上平稳滑动，实现了加载过程中加载头上下滑动，确保试件仅受轴向力。在每次试验开始前，用水平仪对加载装置进行检查，确保支撑中心与底板支座中心在一个垂直平面内，同时三个支撑位于同一个水平面内，完成检查后方可开始试验。试件上端通过支座和联系梁与作动器相连，下端通过支座连接到钢梁上，通过刚性压梁和锚栓将钢梁固定在试验室地槽上，以保证试验边界条件尽量与计算假定相符。
2.2 试件设计
试验研究对象为螺栓球网架结构中常用的节点：Ф120 螺栓球 M24 高强螺栓连接节点。设计了如图 2-1 所示的螺栓球节点与 Ф88.5×4 圆钢管组合的螺栓球节点连接试件，如此设计首先可以将钢管锥头对节点受力的影响考虑进去，试验中螺栓球节点的受力状态更接近实际工程，其次螺栓球节点连接试件的上下螺栓球通过支座与加载装置连接，整个试件的受力状态更符合实际受力。
第 3 章 螺栓球节点连接试件超低周疲劳试验研究 .............................. 23
3.1 引言 ................................... 23
3.2 试件破坏过程 ........................... 23
第 4 章 螺栓球节点连接试件超低周疲劳试验的有限元校核 ....................... 51
4.1 引言 ................................ 51
4.2 有限元模型建立 .......................................... 51
第 5 章 结论与展望 ................................... 65
5.1 结论 ............................... 65
5.2 展望 .................................... 66
第 4 章 螺栓球节点连接试件超低周疲劳试验的有限元校核
4.1 引言
本章将利用功能强大的 ABAQUS 有限元分析软件对螺栓球节点连接试件建立与试验一致的有限元模型，对本文的试验进行有限元模拟的近似分析，根据第三章螺栓球节点连接试件的超低周疲劳的试验结果验证有限元模型的合理性和可靠性，对比分析了节点的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线以及滞回耗能；最后讨论分析了螺栓球节点连接试件中螺栓球节点在往复荷载作用下的超低周破坏机理。确定了螺栓球节点连接试件超低周疲劳试验比较合理的建模方法，为今后开展多参数下螺栓球节点超低周疲劳性能的数值模拟研究奠定了基础。
建模过程包括模型几何尺寸的确定、钢材的材性属性、有限元单元类型以及网格划分、建立接近试验的接触、边界条件和加载制度的确定。
螺栓球节点连接试件主要由圆钢管、两种不同直径的螺栓球、高强螺栓以及套筒组成，在利用 ABAQUS 有限元分析软件建立模型时根据试验试件的实际尺寸进行了建模。试验试件具有轴对称特性、采用位移控制的方式进行轴向往复加载且加载方式具有对称性，在试验过程中试件变形仍然具有对称性，故以变形结果中的对称面为对称轴，建立1/2 对称轴模型，以此来减小计算成本，将计算的荷载结果乘以二得到有限元分析的结果。
圆钢管、套筒、锥头、螺栓球和高强螺栓均为三维模型，选取的单元形式为八节点六面体线性减缩积分单元 C3D8R。C3D8R 是由 C3D8 经线性减缩得到，对位移的求解结果较精确、当网格存在扭曲变形时，分析精度不会受到太大影响，并且在弯曲荷载下不容易产生剪切自锁。
第 5 章 结论与展望
5.1 结论
在历次灾难地震中，应用广泛且发挥重要作用的螺栓球网格结构震害较为严重，其螺栓球节点易发生超低周疲劳破坏。本文采用拟静力的方法对螺栓球节点连接在灾害地震下的超低周疲劳性能展开试验研究，得到了螺栓球节点在大位移往复荷载作用下的破坏过程、破坏特征以及滞回耗能、骨架曲线等抗震性能指标，并基于 ABAQUS 有限元软件对试验过程进行了模拟分析。主要结论如下：
（1）试验破坏主
