日光温室平椭圆管骨架套筒螺钉拼接抗弯性能.pdf

日光温室平椭圆管骨架套筒螺钉拼接抗弯性能 齐 飞1 3 王元清2 闫冬梅1 3 何 芬1 3 徐开亮1 3 温 昱1 3 1 农业农村部规划设计研究院 北京 100125 2 清华大学土木工程系 北京 100084 3 农业农村部农业设施结构设计与智能建造重点实验室 北京 100125 摘 要 为探明日光温室平椭圆管骨架套筒螺钉拼接节点力学性能 该研究对此类拼接节点进行了足尺力学试验研究和 数值分析 为日光温室节点强度和刚度设计提供依据 研究首先确定了平椭圆管管材和螺钉本构关系 通过足尺试验和 理论值计算比较验证数值分析模型 对5种常见平椭圆管截面 3种螺钉数量和4种拼接长度进行拼接节点工况组合 对60种工况进行数值模拟 根据节点达到极限强度的特征分析破坏机理 依据不同规格试件屈服前的弯矩 转角和初 始弯曲刚度变化规律 构建拼接节点抗弯刚度K与拼接长度比Ls相互关系的表达式 并对表达式进行验证 结果显示 拼接节点的破坏形式包括缩头顶受压破坏 螺钉孔破坏 螺钉孔和缩头顶同时破坏3种 相应的极限承载力差别较大 破坏机理不同 其中在缩头顶破坏时的承载力最大 拼接节点的转动刚度系数K 与拼接长度比Ls呈正相关 在3螺钉 的情况下K 受截面高度H影响较小 在4 5螺钉的情况下当H小于75 mm时K 随H增加而降低 当H大于等75 mm 时 K 受H影响小 利用研究获得的 K Ls 表达式对拼接节点进行数值分析 与试验结果相比 数值分析结果相较试 验结果偏安全 且误差均方根约为10 表达式可直接用于日光温室骨架钢结构整体强度和稳定性分析 相关方法可为 其他类型节点抗弯刚度的研究提供借鉴 关键词 日光温室 平椭圆管 骨架 拼接 抗弯刚度 doi 10 11975 j issn 1002 6819 202505035 中图分类号 S126 文献标志码 A 文章编号 1002 6819 2026 02 0246 13 齐飞 王元清 闫冬梅 等 日光温室平椭圆管骨架套筒螺钉拼接抗弯性能 J 农业工程学报 2026 42 2 246 258 doi 10 11975 j issn 1002 6819 202505035 http www tcsae org QI Fei WANG Yuanqing YAN Dongmei et al Bending resistance of flat elliptical tube skeleton sleeve screw splicing in solar greenhouse J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2026 42 2 246 258 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 202505035 http www tcsae org 0 引 言 钢构件长度方向拼接可以有效解决单根构件长度过 长与运输便利性之间的矛盾 目前 平椭圆管 1 2 已经成 为日光温室骨架截面选型的主流 3 4 受运输和热浸镀锌 工艺等影响 平椭圆管大多采用分段加工 现场组装 套筒螺钉拼接凭借其加工便捷 连接简单 接缝平整等 优点 成为常见构造措施 其力学性能对钢结构强度 刚度和稳定性具有显著影响 因此有必要探明其破坏机 理和抗弯性能 在工业与民用建筑中 构件拼接多采用焊接 5 拼 接板 6 8 内套筒 9 11 端板 12 耳板 13 等形式 以及更 为复杂的栓 焊组合拼接 14 预应力拼接 15 等 围绕这 些拼接技术 研究者开展了广泛而深入的探究 如曹开 彬等 5 利用理论分析 初步估计出弧形梁焊接变形收缩 量和焊接变形控制措施 基于对国内外钢梁拼接在静力 及地震作用下设计方法的研究 李启才等 7 提出拼接节 点应尽量靠近梁在均布荷载作用下的反弯点且远离塑性 铰等建议 童乐为等 8 对采用螺栓拼接的H型钢梁进行 抗弯试验 研究了拼接节点的破坏特点 抗弯强度和刚 度 提出考虑节点转动刚度影响的H型钢梁挠度计算式 刘康等 9 提出了一种以内套筒为连接件 以螺栓为紧固 件的拼接节点 通过轴压试验分析节点受力特性 承载 力和破坏方式 提出了节点强度设计建议 张艳霞等 10 提出一种采用整体芯筒 全螺栓紧固的拼接方式 发现 芯筒能提高连接节点的抗弯和抗剪能力 具有良好的延 性和耗能能力 张振宇等 11 研究了一种箱形钢柱插入式 拼接节点 通过改变轴压比 内套管长度 厚度 法兰板 厚度 螺栓预拉力等 得出不同参数下节点的力学性能 朱冬梅等 12 对两端弹簧约束的轴心受压拼接钢柱进行了 静力稳定分析 得到屈曲方程并分析了不同杆端约束的 整体稳定性能 获得了计算长度系数和拼接位置 刚度 对整体稳定的影响规律 於晓峰等 13 对钢十字柱耳板拼 接节点进行了数值分析和结构力学计算 给出了设计建 议 以上研究在工业与民用建筑领域发挥了重要作用 日光温室作为中国重要的农业生产设施 其骨架的 拼接方式及力学性能指标 一直是行业关注的重点 由 于日光温室结构与工业 民用建筑差距较大 因此 后 者中梁柱结构拼接及其力学性能指标的计算对于日光温 室参考价值有限 目前 日光温室的钢骨架拼接节点多 收稿日期 2025 05 07 修订日期 2025 11 03 基金项目 农业农村部规划设计研究院自主研发项目 QD202411 北京 市设施蔬菜创新团队项目 BAIC01 2022 河北省重点研发计划项目 22327214D 作者简介 齐飞 研究员 总工程师 研究方向为温室结构 设备 材料 和产业政策 Email qifei0626 通信作者 王元清 博士 教授 研究方向为钢结构 新材料结构 Email wang yq 第 42 卷 第 2 期农 业 工 程 学 报Vol 42 No 2 246 2026 年 1 月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jan 2026 采用焊接 内套筒 外套筒 缩头等形式 周凤等 16 17 针对平椭圆管骨架拼接设计了内套筒接头 并对其力学 性能进行了数值分析和静力试验验证 结果显示外套筒 相比内套筒形式更为可靠 张金豪等 18 分析了内置和外 置拼接节点力学性能 提出了内套筒长度不小于10 cm 的建议 但针对平椭圆管套筒螺钉拼接节点的力学性能 仍未见相关研究 无数据可用 为日光温室结构安全留 下了隐患 本文首先通过调研确定日光温室平椭圆骨架的主要 规格 根据不同规格设计套筒螺钉拼接节点 采用数值 分析与试验结合的方式 探明破坏机理 提出拼接节点 抗弯刚度的表达式 为日光温室钢结构设计提供依据 1 试件参数 1 1 拼接节点构造 日光温室平椭圆管套筒螺钉拼接时主要包括3个部 件 分别是平椭圆管 部件1 带缩头的平椭圆管 部 件2 和自钻自攻螺钉 部件3 部件2在截面方向缩 头设计尺寸为 平椭圆管外形尺寸 2个壁厚 安装间隙 安装间隙一般不超过2 mm 自钻自攻螺钉 后文简称 螺钉 在平椭圆管平直段两侧布置 单侧数量通常为 3 4和5个 见图1 其中最常见的螺钉数量为3个 部件1 Part 1 部件3 Part 3 部件2 Part 2 部件3 Part 3 部件1 Part 1 部件2 Part 2 a 3个螺钉 a Three screws b 4个螺钉 b Four screws 图1 平椭圆管拼接实例 Fig 1 Examples of splicing flat oval tube 1 2 试件设计 试件选取华北地区日光温室骨架中最常用的截面尺 寸75 mm 高 30 mm 宽 2 0 mm 厚 的平椭圆 管 其中部件2缩头部分截面尺寸为68 4 mm 23 1 mm 2 0 mm 单面螺钉数量为3个 规格为ST6 3 部件1 设计长度为700 mm 部件2设计长度为800 mm 其中 拼接长度为90 mm 试件拼接后长度为1 410 mm 试件 尺寸及相关部件见图2 a 部件1 a Part 1 b 部件2 b Part 2 c 部件3 c Part 3 700 mm 700 mm 100 mm 图2 试件尺寸与部件图 Fig 2 Specimen dimensions and component diagram 1 3 试件加工 试件加工的关键是部件2的缩头成型 特别是截面 尺寸突变区域的成型 本研究使用瑞典海克斯康公司生 产的RA7520SEI绝对臂扫描仪对试件进行激光3D扫描 该设备为7个自由度 量程为2 5 m 空间长度测量精度 为0 038 mm 点重复性误差为0 027 mm 系统扫描精度 为0 05 mm 利用Polyworks和DesignX软件对激光进 行曲面封闭 形成三维模型 扫描后采用人工抽测的方 式对关键部位进行复核与修正 扫描后试件见图3 加工试件Processed specimen 68 4 23 1 2 0 图3 3D扫描后试件示意图 Fig 3 3D scanned specimen schematic 2 材料本构关系 2 1 平椭圆管 2 1 1 试件取样 试件用平椭圆管由天津友发钢管集团股份有限公司 生产 材质为Q235B 按照GB T 228 1 2021 金属材料 拉伸试验 第1部分 室温试验方法 19 的要求 按片状 试件和整体管材试件分别进行拉伸试验 平椭圆管在加 工过程中采用 钢带 冷弯 焊接 圆管 平椭圆管 辊轧 的工艺 平椭圆管圆弧段与平直段受 到的冷加工强度不同 在性能上存在差异 因此 片状试件在圆弧和平直段区域分别取样 尺寸为 230 mm 35 mm 2 0 mm 取样位置见图4 其中片状试 件分别在平直段 试件编号L SJ1 L SJ6 和圆弧段 试 件编号A SJ1 A SJ6 各取6个标准试件 平椭圆管整 根管材试件 试件编号P SJ1 P SJ3 选取3根 长度 为800 mm 圆弧段 平直段 Arc segment Line segment 管材 Tube 图4 平椭圆管片状试件取样位置示意图 Fig 4 Schematic diagram of sampling location for flat oval tube specimens 2 1 2 试验过程及结果分析 按照GB T 228 1 2021 19 的要求 使用标定后的微 机控制电子万能试验机 数显卡尺 尖头电子数显千分 尺等仪器 检测屈服强度 抗拉强度和断后伸长率 通过对平直段 圆弧段和整根管材试件的试验结果 分析发现 圆弧段试件强度相对低于其他试件 因此从 安全性方面考虑 平椭圆管本构关系选取圆弧段试件试 验数据 剔除因夹具滑移造成偏差的2个试件数据 得 到平椭圆管试件的屈服强度 抗拉强度及伸长率 结果见 第 2 期齐 飞等 日光温室平椭圆管骨架套筒螺钉拼接抗弯性能247 表1 对表1中的试件数据取平均值 得到平椭圆管试 件的屈服强度为340 MPa 抗拉强度为400 MPa 伸长 率为20 根据上述结果 得到图5的简化弹塑性本构 模型曲线 表 1 平椭圆管试件圆弧段材料性能试验结果 Table 1 Material properties test results of circular arc section of flat oval tube specimen 试件编号 Test specimen No 屈服强度 Yield strength MPa 抗拉强度 Tensile strength MPa 伸长率 Extensibility A SJ1 340 400 15 A SJ2 349 405 25 A SJ3 339 395 20 A SJ4 335 396 20 平均值Average 340 400 20 注 A SJ1 A SJ4分别为圆弧段的4个试件的编号 Note A SJ1 A SJ4 are the numbers of the four specimens in the circular arc segment 0 340 400 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 应力 Stress MPa 应变Strain A SJ1 A SJ2 A SJ3 A SJ4 简化弹塑性本构模型曲线 Simplified elastoplastic constitutive model curve 图5 平椭圆管试件圆弧段材料性能试验曲线 Fig 5 Material properties test curve of circular arc section of flat oval tube specimen 2 2 螺钉 文献研究发现 螺钉本构关系多通过厂家提供的参 数除以应力集中系数1 79 20 21 得到螺钉的屈服强度或 抗拉强度 22 文献中 对规格相同的螺钉抗拉强度取值 差异较大 有1 250 21 23 1 050 24 1 000 25 700 26 550 27 和480 MPa 22 等 但均未见相关试验过程和结果 分析 为此 本研究针对螺钉开展抗拉强度和抗剪强度 试验 以确定适当的本构关系模型 2 2 1 螺钉取样 样品采用索尼克精密五金工业 昆山 有限公司生 产的 北塔 牌螺钉 共10个 材质为SWRCH22A 规格为ST6 3 25 试件符合GB T 15856 5 2023 六角凸 缘自钻自攻螺钉 28 的要求 2 2 2 试验过程及结果分析 螺钉拉伸和双剪切参考标准试验方法 29 1 拉伸试验 采用电子万能试验机GP TS2000M 300 kN进行拉伸 试验 测试环境为温度25 相对湿度60 余同 试验选择5个螺钉 采用矩形柱工装固定螺钉尖部 加 载速度为2 mm min 试验设备及夹持情况见图6a 拉伸 后螺钉见图7a 2 双剪切试验 采用电子万能试验机E45 105进行剪切试验 选择5 个螺钉 直接放置于试验设备夹具上 加载速度为2 mm min 试验设备及夹持情况见图6b 剪切后螺钉见图7b 从试验结果看 螺钉拉伸和双剪切都没有明显的屈 服阶段 脆断特征明显 因螺钉外形太小而受到夹具滑 移 螺纹凹槽处应力集中等影响 位移的离散性较大 可信度较低 而拉力和剪力受上述因素影响较小 有3 个螺钉的拉伸试验符合要求 5个螺钉的双剪切试验符 合要求 结果见表2 螺钉屈服强度按名义应力的95 保证率计算 拉应力取1 050 MPa 剪切应力取680 MPa a 拉伸 a Tension b 剪切 b Shear 图6 螺钉拉伸和剪切试验 Fig 6 Tension and shear of screws T SJ5 S SJ1 S SJ4 S SJ5S SJ2T SJ1 T SJ2 T SJ3 T SJ4 S SJ3 a 拉伸后的螺钉 a Tension screws b 剪切后的螺钉 b Shear screws 注 T SJ1 T SJ5为拉伸试验试件编号 S SJ1 S SJ5为剪切试验试件编号 Note T SJ1 T SJ5 are tensile test specimen numbers S SJ1 S SJ5 are shear test specimen numbers 图7 试验后的螺钉 Fig 7 Screw after testing 表 2 螺钉拉伸和剪切试验结果 Table 2 Tension and shear testi result of screws 拉伸Tension双剪切Double shear 试件编号 Test specimen No 最大拉力 Maximum tension force kN 名义应力 Nominal stress MPa 试件编号 Test specimen No 最大双剪力 Maximum double shear force kN 名义应力 Nominal stress MPa T SJ1 17 83 1 146 S SJ1 19 69 633 T SJ2 17 07 1 097 S SJ2 24 25 779 T SJ3 18 76 1 206 S SJ3 20 54 660 S SJ4 22 08 710 S SJ5 26 27 844 平均值 Average 17 89 1 150 平均值 Average 22 57 725 3 试件抗弯性能试验 3 1 试验方案设计 3 1 1 加载与量测方案 采用4点加载进行抗弯试验 其中加载点为2个 支座2个 试件中心点设置拉线位移计1个 图8 试验设备采用微机控制试验机 可自动采集整个加 载过程的荷载数据 测量精度为1级 最大加载量为 100 kN 加载速度为0 2 kN s 荷载和位移数据采用试验 机自带传感器与德国HBM数据采集系统MX879B进行 混合信号量测与处理 参照GB T 228 1 2021 19 当试件 承载力下降至极限承载力的80 以下或螺钉全部断裂时 试验终止 248农业工程学报 http www tcsae org 2026 年 球铰中心 Ball joint center 加载装置 Loading device 试件 Specimen 支座1 Support 1支座2Support 2 拉线位移计 String potentiometer 加载点1 Load point 1 加载点2 Load point 2 400 400 180 200 200 图8 试件加载方案相关尺寸 Fig 8 Loading scheme and dimensions 3 1 2 试件与工装设计 分别对3根无拼接节点试件 试件编号0 SJ1 0 SJ3 和4根3个螺钉拼接节点试件 试件编号3 SJ1 3 SJ4 开展试验 为避免试验过程中加载点附近出现局部 屈曲 加载点采用弧形承力板 在试件内部在加载点附 近安装40 mm长内衬管 在两端支点位置安装支座约束 以保证试验中试件不先发生弱轴方向变形 构造与尺寸 参见图9 衬管 Liner pipe 试件 Specimen 加载装置 Loading device 40 mm 图9 内衬管安装示意图 Fig 9 Installation diagram of liner pipe 3 2 试验过程与结果分析 3 2 1 无拼接节点试件加载试验 对3根无拼接节点试件进行抗弯性能试验 试件未 加载初始状态和结束状态见图10 试验过程中 无拼接节点试件加载初期表现为刚度 较大 当试件进入屈服状态后 试件的中间位置位移增 大 承载力增长缓慢 当达到极限承载力后 加载点附 近发生屈曲变形 承载力下降 试验全过程荷载 位移曲 线见图11 由数据可发现0 SJ3的数据存在明显的异常 在后面的分析中将其剔除 试件极限抗弯承载力分别为 15 60 15 60和16 60 kN 平均值15 90 kN 3 2 2 3个螺钉拼接节点试件加载试验 选取4根3个螺钉拼接节点试件进行抗弯性能试验 试件编号为3 SJ1 3 SJ4 加载过程同无拼接节点试件 试验 加载至试件破坏 试件未加载初始状态见图12a 结束状态见图12b 图12e 在试验过程中 试件经历两次大变形 加载初期 由于试件部1和部件2之间存在间隙 螺钉作用类似 于转轴 当竖向力传导给试件后 试件于拼接处先发生 较大变形 表现为刚度较低 当部件间隙消失后 拼接 节点位置近似于无拼接节点 表现为刚度大致相同 当 竖向力持续增大 试件达到屈服状态 位移增大 承载力 增长缓慢 达到极限承载力状态后 拼接处螺钉未发生 破坏 部件2缩头顶位置发生屈曲变形 导致承载力下降 a 初始状态 a Status b 0 SJ1 c 0 SJ2 d 0 SJ3 注 0 SJ1 0 SJ2 0 SJ3为无拼接节点试件编号 Note 0 SJ1 0 SJ2 and 0 SJ3 are test specimen No of the non spliced 图10 无拼接节点试件试验图 Fig 10 Test diagram for test specimen of non spliced 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 2 4 6 8 10 12 14 16 18 荷载 Load kN 位移Displacement mm 0 SJ1 0 SJ2 0 SJ3 图11 无拼接节点试件荷载 位移曲线 Fig 11 Load displacement curve of test specimen of non spliced a 初始状态 a Status b 3 SJ1 c 3 SJ2 d 3 SJ3 e 3 SJ4 注 3 SJ1 3 SJ4为3个螺钉拼接节点试件编号 Note 3 SJ1 3 SJ4 are the test specimen No of three screws 图12 3个螺钉拼接节点试件试验图 Fig 12 Test diagram for test specimen of three screws 4根试件的荷载 位移曲线见图13 对偏差明显较大 第 2 期齐 飞等 日光温室平椭圆管骨架套筒螺钉拼接抗弯性能249 的3 SJ4作为异常数据剔除 其余试验数据作为有效数 据 试件极限抗弯承载力分别为14 14 14 20和14 28 kN 平均值为14 20 kN 荷载 Load kN 位移Displacement mm 3 SJ1 3 SJ2 3 SJ3 3 SJ4 16 14 12 10 8 6 4 2 0 20 40 60 80 100 120 140 图13 3个螺钉拼接节点试件荷载 位移曲线 Fig 13 Load displacement curve of test specimen of three screws 4 有限元模型分析 本研究采用Abaqus软件进行分析 部件1 部件2 和部件3按照前文尺寸建模 拼接位置的部件安装间隙 为1 0 mm 数值分析模型的拼接形式与试验台加载方式 试件约束方式和试件支座形式保持一致 4 1 单元选取与网格划分 4 1 1 单元选取 单元选择既关系收敛 也决定计算效率 本研究采 用精度较高的实体单元 单元类型为C3D8R 采用8个 节点 经小荷载初步试算后满足精度和计算速度的要求 4 1 2 网格划分选取 网格密度对有限元仿真结果影响较大 对计算效率 影响更加明显 综合考虑实体单元的划分应尽量避免相 邻单元尺寸差异过大和主面网格要大于从面等因素 选 择部件1 主面 网格尺寸大于部件2缩头位置 从面 网格尺寸的划分原则 其余加载部件 螺钉 支座的网 格划分依据主 从面的情况相应变化 螺钉孔是局部网格划分的重点 对收敛影响很大 本研究中试算分别采用自动划分 局部分割 精细化局 部分割3种网格生成方式见图14 经比较 三者的计算 精度和计算效率差异小于5 因此选择最简便的自动划 分方式划分网格 a 自动划分 a Automatic partitioning b 局部分割 b Local segmentation c 精细化局部分割 c Refined local segmentatio 图14 螺钉孔3种网格划分效果 Fig 14 Three meshing effects for a screw hole 4 2 无拼接节点试件抗弯性能分析与验证 4 2 1 理论计算 依据集中力作用下简支梁最大挠度理论值进行计算 式 1 与加载试验和有限元模型的结果分别进行 对比 单个加载点的计算简图见图15 弹性模量E为 2 06 105 MPa 截面惯性矩I为207 419 mm4 计算荷载 分别为1 00 7 00 kN时的最大位移 P a b L2 a2 b2 6 E I L 1 式中 为无拼接节点试件的位移 mm E为弹性模量 MPa I为截面惯性矩 mm4 P a b L 注 P为集中力 kN a为集中力作用位置距左支座距离 mm b为集中 力作用位置距支座2的距离 mm L为无拼接节点试件的长度 mm Note P is the concentrated force kN a is the distance between the concentrated force application location and the left support mm b is the distance between the concentrated force application location and the right support mm L is the length of the specimen without splicing nodes mm 图15 集中力作用下简支梁计算简图 Fig 15 Simply supported beam with a concentrated load 本构关系选取前文的数据 换算为真实应力 即极 限强度为435 MPa 支座按照Q235B考虑 加载装置设 置为刚体 4 2 2 有限元模型分析 对无拼接节点试件抗弯性能进行数值模拟 网格控 制属性采用六面体为主 整体网格密度通常取截面高度 的1 10 1 15有利于收敛 因此模型网格密度选取5 7 和6 0 mm 计算获得弹性阶段力学特性 试件共有6个 表面与表面接触对 包括加载装置与无拼接点试 件接触对4个 支座与无拼接节点试件接触对2个 依 据试验结果 无拼接节点试件极限抗弯承载力最大为 16 60 kN 因此有限元分析时极限荷载取20 00 kN 计 算模型见图16 加载装置 Loading device 试件 Specimen 支座1 Support 1 图16 计算模型与网格划分示例 无拼接节点试件 Fig 16 Example of computational model and mesh generation test specimen of non spliced 4 2 3 试验和有限元计算结果分析 选取1 00 7 00 kN共7个荷载数据进行分析 相关 数据见表3和表4 从表3可以看出 试验值位移均大 于理论值 试验结果与理论值比较 均方根误差RMSE 约为0 26 RMSE偏差最大为8 63 试验结果与理论 值相差较小 从表4可以看出 数值模拟结果与理论值 比较 RMSE最大约为0 09 RMSE偏差最大为3 30 综上所述 试验结果与理论值的误差较小 试验设备精 度较高 满足研究要求 数值分析结果与理论值的误差 很小 数值分析模型精度很高 模型合理且有效 250农业工程学报 http www tcsae org 2026 年 表 3 无拼接节点试件抗弯性能试验值与理论值均方差分析 Table 3 RMSE analysis of experimental vs theoretical values of test specimen of non spliced 荷载 Load kN 理论位移 Theoretical displacement mm 试件0 SJ1试 验位移 Test displacement of test specimen 0 SJ1 mm 差平方 Variance mm2 试件0 SJ2试 验位移 Test displacement of test specimen 0 SJ2 mm 差平方 Variance mm2 1 00 0 70 0 96 0 065 440 0 95 0 060 954 2 00 1 40 1 55 0 021 308 1 38 0 000 680 3 00 2 10 2 38 0 078 196 2 17 0 004 077 4 00 2 80 3 05 0 058 723 2 99 0 033 309 5 00 3 50 3 75 0 062 499 3 77 0 071 446 6 00 4 20 4 47 0 069 950 4 62 0 174 844 7 00 4 90 5 27 0 132 176 5 25 0 120 182 合计Total 21 42 0 488 291 21 12 0 465 491 样本均值 Sample mean 3 06 3 02 RMSE 0 264 113 0 257 874 RMSE偏差8 63 8 55 表 4 无拼接节点试件抗弯性能数值模拟值与理论值 均方差分析 Table 4 RMSE analysis between numerical simulation and theoretical values of test specimen of non spliced 荷载 Load kN 理论位移 Theoretical displacement mm 5 7 mm网格 数值模拟位 移 Numerical simulation displacement of 5 7 mm grid mm 差平方 Variance mm2 6 0 mm网格 数值模拟位 移 Numerical simulation displacement of 6 0 mm grid mm 差平方 Variance mm2 1 00 0 70 0 70 0 000 004 0 68 0 000 404 2 00 1 40 1 40 0 000 015 1 36 0 001 617 3 00 2 10 2 10 0 000 034 2 04 0 003 639 4 00 2 80 2 80 0 000 060 2 72 0 006 469 5 00 3 50 3 49 0 000 094 3 40 0 010 108 6 00 4 20 4 19 0 000 136 4 08 0 014 556 7 00 4 90 4 89 0 000 185 4 76 0 019 812 合计Total 19 57 0 000 527 19 06 0 056 606 样本均值Sample mean 2 795 2 722 RMSE 0 008 680 0 089 926 RMSE偏差0 31 3 30 4 3 3个螺钉拼接节点试件抗弯性能分析与验证 4 3 1 有限元模型分析 因3个螺钉拼接节点试件抗弯性能缺少理论值 验 证主要依靠数值分析结果与试验结果比较 数值分析中 模型拼接形式 单元与网格属性4 2 2节相同 网格密 度按照7 0 mm划分 网格划分结果见图17 加载装置 Loading device 试件 Specimen 螺钉 Screw 图17 计算模型网格划分示例 3个螺钉拼接节点试件 Fig 17 Computational model meshing test specimen of three screws 拼接试件共有 表面与表面接触对 19个 包括部 件1与部件2共1个 螺钉与部件1和部件2共12个 加载装置与部件1和部件2共4个 支座与部件1和部 件2共2个 螺钉钉帽与梁外表面绑定约束共有6个 依据试验结果 极限抗弯承载力最大为14 28 kN 因此 有限元分析时极限荷载取20 00 kN 4 3 2 试验和有限元计算结果分析 试验与数值模拟结果对比 试件破坏位置一致 均 在部件2的缩头构件的缩头顶位置 详见图18 破坏位置 Damage location 破坏位置 Damage location a 试验结果 a Test results b 模型结果 b Model results 图18 3个螺钉拼接节点试件破坏结果 Fig 18 Failure results of test specimen of three screws 通过提取数值分析荷载 位移曲线 与试验结果曲线 进行对比 见图19 由图看出 数值分析曲线在试验曲 线之间 弹性部分的线性拟合线 R2为0 9988 绝大部 分位于试验曲线范围的中间部分 说明数值模拟结果具 有较高可信度 0 10 20 30 40 50 60 2 4 6 8 10 12 14 荷载 Load kN 位移Displacement mm 3 SJ1 3 SJ2 3 SJ3 有限元分析 Finite element analysis 1 788 43 10 2 x2 2 170 98 10 1 x 2 127 43 10 1 R2 9 987 61 10 1 y 4 874 84 10 6 x4 5 872 3 8 10 4 x3 图19 3个螺钉拼接节点试件有限元模拟结果与试验结果比较 Fig 19 Comparison of finite element simulation results and experimental results of test specimen of three screws 在弹性范围内 选取1 00 9 00 kN共9个数据进行 均方差分析 结果见表5 表 5 3个螺钉拼接节点试件试验值与模拟值均方差分析 Table 5 RMSE analysis of experimental vs theoretical values of test specimen of three screws 荷载 Load kN 数值模拟位移 Displacement of simulation value mm 试验位移均值 Mean value of test displacement mm 差平方 Variance mm2 1 00 0 00 0 00 0 000 000 2 00 2 92 3 06 0 002 131 3 00 4 45 5 55 0 002 932 4 00 8 01 8 46 0 004 233 5 00 9 65 10 32 0 020 955 6 00 14 26 12 46 0 011 696 7 00 16 44 14 84 0 002 288 8 00 18 08 17 26 0 000 099 9 00 20 06 19 87 0 001 549 样本均值Sample mean 0 005 469 1 RMSE 0 073 9 RMSE偏差5 87 从表5中看出 试验位移均值大于数值模拟值 RMSE偏差为5 87 数值分析模型精度很高 模型合 理且有效 5 不同拼接方式的抗弯性能分析 为确定拼接节点的刚度及受力特性等内容 进一步 第 2 期齐 飞等 日光温室平椭圆管骨架套筒螺钉拼接抗弯性能251 开展不同截面 不同螺钉数量和不同的拼接长度等工况 的有限元分析 5 1 拼接方式工况设定 5 1 1 截面尺寸 通过调研实际工程应用 选取截面尺寸为高度 H 宽度 B 厚度 t 分别为70 mm 30 mm 2 0 mm 75 mm 30 mm 2 0 mm 80 mm 30 mm 2 0 mm 90 mm 30 mm 2 0 mm和100 mm 30 mm 2 0 mm 5种 平椭圆管规格 5 1 2 螺钉数量 以前文75 mm 30 mm 2 0 mm截面平椭圆管拼接形 式为例 分别设定1 5个螺钉进行分析 依据5个模型 的数值分析结果 得到相应的荷载 位移曲线 图20 图20中看出 1个螺钉 1B 2个螺钉 2B 在弹性 阶段初期的变形较大 很容易形成拼装 凹陷 从机 理看 这由于螺钉本身构成的 抗弯结构 刚度过小造 成 此外 由于螺钉数量少 承受拉 压荷载能力弱 因 此不建议在工程中采用 不作为本研究分析的对象 1B 2B 3B 4B 5B 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 2 4 6 8 10 12 14 16 荷载 Load kN 位移Displacement mm 注 1B为1个螺钉拼接试件编号 余同 Note 1B is the test sp