中空夹层钢管混凝土K型搭接节点滞回性能

针对K型搭接节点隐藏焊缝不焊接承载力较低的问题,按主圆支圆、主方支圆2种节点形式设计了6个中空夹层钢管混凝土加强型K型搭接节点,对其进行低周往复加载试验。应用ANSYS软件对试验试件进行模拟,得到了节点的破坏模式、荷载-位移关系、应力分布规律,对节点的承载力、延性、耗能、刚度退化等抗震指标进行分析。结果表明:主管夹层灌混凝土提高了节点刚度、承载力及耗能能力,主管夹层灌普通混凝土和粉煤灰混凝土对节点的加强效果基本相同;未加强节点的应力主要集中在节点域主管表面,破坏模式为主管表面塑性破坏,加强节点的应力主要集中在支管,以支管拉裂破坏为主,主管无明显变形。模拟结果与试验结果吻合较好。

钢管混凝土K形节点应力集中系数计算方法

以钢管混凝土K形(CFST-K)节点为研究对象,进行了7个CFST-K形节点和1个钢管K形(ST-K)节点足尺模型试验和实体有限元分析;分析了现有CFST-K形节点应力集中系数的适用性;基于管内混凝土约束作用对CFST-K形节点变形形态的影响,提出了CFST-K形节点应力集中系数的缓解系数,并采用理论分析方法推导得到考虑管内混凝土约束作用的CFST-K形节点应力集中系数计算方法。结果表明:CFST-K形节点的最大应力集中系数均出现在受拉支管与主管相贯焊缝靠近主管侧冠点位置;CFST-K形节点应力集中系数与壁厚比呈正相关关系,而径厚比与管径比对CFST-K形节点应力集中系数影响较小;CFST-K形和ST-K形节点最大应力集中系数分别为3.98和6.08,管内混凝土能使CFST-K形节点应力集中系数下降约34.5%。现有CFST-K形和ST-K形节点应力集中系数计算方法未能充分考虑管内混凝土约束作用对CFST-K形节点应力集中系数的影响,且未考虑几何参数之间的耦合关系,采用其进行CFST-K形节点应力集中系数计算时精度较低;所提出的考虑管内混凝土约束作用的CFST-K形节点应力集中系数计算方法可将计算误差由现有计算方法的58.0%降低至19.6%。

方套方中空夹层钢管混凝土柱与钢-混凝土梁单边螺栓端板连接节点数值分析

为了揭示方套方中空夹层钢管混凝土柱与钢-混凝土组合梁单边螺栓端板连接的受力性能和破坏机理,通过ABAQUS有限元软件建立了该组合节点的数值分析模型,明确了材料本构关系模型和复杂接触问题。通过水平低周往复荷载试验验证了数值分析模型的准确性,对其破坏模式和滞回曲线进行了评价。考虑了几何参数、材料参数、荷载参数对节点水平荷载-水平位移曲线的影响,讨论了极限承载力和初始刚度的影响规律。研究表明,方套方中空夹层钢管混凝土柱与钢-混凝土组合梁单边螺栓端板连接节点具有良好的抗震性能和受力性能,可应用于高烈度地震区的装配式组合框架;提出的此类型组合节点数值分析方法可用于装配式组合框架的设计与计算。

单边螺栓连接圆中空夹层钢管混凝土柱节点拟静力试验研究

为了获悉中空夹层钢管混凝土柱节点在地震作用下的抗震性能和破坏机理,文章进行了4个圆套圆中空夹层钢管混凝土柱与钢梁单边螺栓端板连接节点的拟静力试验,分析了端板形式和柱截面空心率对此类节点性能和破坏模式的影响;详细观察了节点在低周反复荷载作用下的受力全过程和破坏特征,分析此类节点的滞回曲线、骨架曲线、强度及刚度退化规律、耗能能力等抗震性能指标。试验结果表明:此类端板连接节点具有典型的半刚性特征,连接可靠,耗能效果良好;在相同空心率条件下,外伸端板连接节点的极限承载力、耗能能力要高于平齐端板连接节点;在相同端板形式条件下,节点的极限承载力和耗能能力随着柱截面空心率的增大而减小。研究成果可为我国半刚性中空夹层钢管混凝土结构的设计与应用提供科学依据。

内管设PBL肋型圆套圆中空夹层钢管混凝土柱-钢梁节点滞回性能分析

针对内管设PBL肋型圆套圆中空夹层钢管混凝土柱-钢梁节点的抗震性能研究,本文设计了5根节点试件,进行了低周往复荷载试验。以肋长、空心率、轴压比为主要变化参数,研究此类节点的破坏形态、破坏机制、滞回曲线、骨架曲线以及刚度退化、强度退化、延性、耗能能力等性能。试验结果表明:内管设置PBL肋的节点表现出良好抗震性能,但随着肋长的增加,承载力提高不明显,延性和耗能能力有一定提高,强度退化影响不大;随着空心率增大,承载力与延性略有降低,对强度退化、刚度退化、耗能能力影响不大;使用有限元软件ABAQUS建模计算得到的荷载-位移曲线与本文试验结果总体基本符合。为进一步参数分析和机理研究提供了可靠的基础。

钢管混凝土拱桥K形节点破坏模式及极限承载力研究

建立了钢管混凝土K形节点的精细化有限元模型,基于模型试验数据对有限元模型进行校核,试验值与有限元计算值最大相对偏差为7.26%,平均相对偏差为3.72%,说明有限元模型具有较高的精度。采用理论分析和数值模拟方法对钢管混凝土K形节点破坏模式和极限承载力影响因素进行研究,结果表明:钢管混凝土K形节点荷载-位移曲线可分为弹性、弹塑性和破坏三个阶段,破坏模式为受压支管接头局部屈曲破坏和受拉支管接头处主管扯裂破坏;节点极限承载力随着主管径厚比、支管径厚比和支管间隙的减小而变大,随着支管与主管外径比、支管与主管壁厚比、核心混凝土等级的增加而变大,随着支管与主管轴线夹角的增大而先变小再变大,随着主管轴压力水平先变大后变小;节点极限承载力增长系数与节点尺寸缩放系数之间呈正相关,基本呈线性增长,节点极限承载力增长系数变化速度大于尺寸缩放系数,最后提出了钢管混凝土K形节点不同破坏模式的极限承载力建议公式。

高强方钢管轻骨料混凝土桁架加劲搭接K形节点承载力研究

对高强方钢管轻骨料混凝土桁架加劲搭接K形节点和基本型节点进行主管轴压静力加载试验,考察了支管搭接率和加劲板构造对节点受力性能的影响.试验结果表明:节点的破坏模式为支管根部侧面搭接焊缝开裂;支管搭接率过大或过小均会降低搭接K形节点承载力;加劲节点的屈服荷载和极限荷载较基本型节点分别提高6.5%和12.0%.同时,对高强方钢管轻骨料混凝土桁架加劲搭接K形节点进行了数值模拟、热点应力场演化分析和破坏机理探究,推导了极限承载力计算式.通过与节点试验结果对比,验证了该计算式的精度.

装配式中空夹层钢管混凝土构件节点有限元模拟研究

为研究基坑内支撑应用中空夹层钢管混凝土构件下的节点连接方法,设计了一种新型的节点结构形式。本文利用有限元软件建立节点的力学模型,并对其施加实际工程所受荷载,最后进行数值分析,以探究在实际工程应用下节点构件以及各部件的承载能力与变形幅度。结果表明:对节点施加中空夹层钢管混凝土构件极限承载力的情况下,变形最大位置为侧向钢板处,其变形数值达到容许值的86%;应力最大位置为中部钢板处,达到钢材屈服应力的90%,证明节点可以满足承载力的需求并晚于构件破坏。此种节点设计的研究成果可为中空夹层钢管混凝土构件在基坑内支撑中应用提供参考。

基于ABAQUS的方中空夹层钢管混凝土柱-钢梁节点的抗震性能有限元分析

文中采用ABAQUS有限元软件,对6个已有的低周反复荷载作用下的组合节点试验进行数值模拟分析。通过对组合节点的弯矩-转角和P-△曲线的分析得出,数值分析和试验结果吻合良好。验证了本文采用的有限元模型的合理性,为方中空夹层钢管混凝土柱-钢梁节点在实际工程中的应用提供了良好的技术支撑。

中空夹层钢管混凝土-钢管K形搭接节点抗震性能试验研究

主管为中空夹层钢管混凝土,支管为空钢管的K形搭接节点,按主圆支圆和主方支圆两种形式加工制作了4个节点,对节点两个支管通过同步往复加载,研究主管通过夹层混凝土加强的K形节点破坏模式、承载力、耗能性能等。分析了试件的滞回曲线、骨架曲线、承载力、延性系数、能量耗散系数等抗震性能指标。结果表明:未加强节点的破坏模式为主管表面塑性破坏,主管夹层灌混凝土的加强节点为支管拉裂破坏;主管夹层灌混凝土提高了节点的刚度和承载力,对于方管尤为显著,但对节点的延性影响不大;相比主圆支圆的未加强试件,夹层灌普通混凝土和粉煤灰混凝土的试件承载力分别提高了43.7%和52.1%,节点累积耗能分别提高了57.6%和64.0%;相比主方支圆未加强试件,夹层灌普通混凝土和粉煤灰混凝土的试件承载力分别提高了66.7%和64.7%,节点累积耗能分别提高了39.8%和21.7%,但主管夹层灌普通混凝土和灌粉煤灰混凝土对节点的加强效果区别不大。利用ANSYS软件对试验试件进行有限元分析,分析结果与试验结果吻合良好,并选用主管空心率、支主管直径比及支管径厚比进行参数分析。分析表明:随主管空心率的增大,节点耗能能力和承载力有所减小;随支主管直径比的增大,节点滞回曲线趋于饱满,耗能能力和承载力提高;随支管径厚比的增加,节点的滞回曲线的饱满度降低,节点承载力和耗能能力均呈下降趋势。

复式钢管混凝土柱-钢梁组合节点性能研究

中空夹层钢管混凝土柱-钢梁采用穿心高强螺栓-外伸端板构成的组合节点建立有限元模型。分析了模型在梁端单调加载下的应力分布规律及柱轴压比、方钢管壁厚对节点力学性能的影响。

T形钢连接梁柱节点的试验和抗剪计算方法研究

通过对4个中空夹层钢管混凝土柱-钢混凝土梁采用高强螺栓T形钢连接的组合节点的低周反复荷载试验,研究了其典型破坏形态及节点域的剪力-剪切变形骨架曲线;在此基础上,对其节点域的传力机理和抗剪性能进行了理论全过程分析,分别建立了节点域钢管腹板、钢管翼缘和夹层混凝土的剪力-剪切变形的三折线模型,并根据剪切变形协调条件对三部分曲线进行简化后叠加,由此得到整个节点域的屈服抗剪承载力和极限抗剪承载力的计算公式,并将理论计算结果与试验数据进行对比,二者整体吻合较好.

法兰加劲肋贯穿的中空夹层钢管混凝土连接节点受弯性能研究

提出了一种法兰加劲肋贯穿的中空夹层钢管混凝土连接节点。该节点在保证节点强度和刚度的同时,可有效降低施工风险。对足尺节点试件进行纯弯试验研究,分析了其破坏形态、抗弯承载力以及中和轴位置。采用有限元软件ABAQUS对试件进行数值模拟分析。结合试验和数值模拟结果,分析了法兰加劲肋贯穿的中空夹层钢管混凝土连接节点应力发展过程和螺栓受力情况。对法兰板厚度、贯穿加劲肋数量、加劲肋高度以及螺栓规格对节点受弯性能的影响规律进行了参数分析,建议了各参数的取值范围。最后,结合法兰加劲肋贯穿的中空夹层钢管混凝土连接节点受弯力学特征,提出法兰节点的设计方法。

中空夹层钢管混凝土柱与钢-混凝土组合梁节点抗震性能试验研究

以中空夹层钢管混凝土柱与带钢筋混凝土楼板的钢-混凝土组合梁采用高强螺栓及T形钢连接件构成的组合节点的抗震性能为研究对象,对6个十字形组合节点以梁端反对称加载的形式进行拟静力试验。试验中以柱轴压比、加劲肋、T形钢连接件尺寸、楼板厚度和楼板配筋率等为变化参数,研究该组合节点的破坏特征、滞回性能、抗剪性能、承载力衰减、刚度退化规律、耗能特性以及应变变化等力学性能。研究结果表明:柱内置钢管在增加柱受压承载力的同时可以有效增加节点核心区受剪能力,改善了节点整体受力性能;增大楼板配筋率(当1%≤ρ≤ρmax时)和减小柱轴压比(当n≤0.3时)能增强节点总耗能能力,但会降低节点延性且对节点承载力无明显提高作用;T形钢翼缘厚度和设置加劲肋对节点抗震性能影响较大。

钢管混凝土K形节点足尺模型疲劳性能试验

为研究钢管混凝土K形节点足尺模型疲劳性能,对其进行疲劳试验,并与钢管K形节点疲劳性能进行比较,通过对比分析得到钢管混凝土K形节点热点应力分布规律、疲劳性能演化和疲劳破坏形式,并探讨钢管混凝土K形节点疲劳寿命评价方法。结果表明:钢管混凝土K形节点与钢管K形节点最大热点应力的位置均位于受拉支管与主管相贯焊缝主管侧冠点处,钢管混凝土K形节点的应力集中系数约可降低至钢管K形节点的58%,且热点应力宜采用二次外推方式;两者疲劳性能演化过程均可分为疲劳裂纹萌生、扩展和破坏三个阶段,钢管混凝土K形节点在扩展和破坏阶段分别以沿主管壁厚方向和相贯焊缝长度方向扩展为主,与钢管K形节点主要扩展方向相反;两者疲劳裂纹均属于张开型Ⅰ裂纹,钢管混凝土K形节点疲劳裂纹断口沿壁厚方向呈"呲牙"状,且疲劳裂纹扩展路径较长。钢管混凝土K形节点抗疲劳性能明显优于钢管K形节点的最主要原因在于,管内混凝土的约束作用提高了钢管混凝土K形节点主管的径向刚度,钢管混凝土K形节点的压陷和外凸变形远小于钢管K形节点。基于一点法原则建立的钢管混凝土K形节点疲劳设计S-N曲线具有较高精度。

单边高强螺栓连接方套方中空夹层钢管混凝土柱组合节点抗震性能试验研究

为了深入研究单边高强螺栓连接中空夹层钢管混凝土柱组合节点的抗震性能和破坏机理,对4个方套方中空夹层钢管混凝土柱与钢-混凝土组合梁单边高强螺栓端板连接节点进行了低周反复加载试验,以端板形式和柱截面空心率为主要试验参数,考察了节点破坏模式和组合楼板裂缝分布规律,研究节点滞回曲线、连接弯矩-转角关系、刚度和承载力退化、延性和耗能等抗震性能指标;通过分析端板、钢梁和节点核心区的应变分布规律,探讨节点的破坏机理。研究结果表明:单边高强螺栓连接方套方中空夹层钢管混凝土柱组合节点具有优越的抗震性能和良好的延性,连接安全可靠,适于高烈度地震区应用。

钢管混凝土柱斜交环板受力性能研究

随着钢管混凝土结构的广泛应用,国内外研究人员对钢管混凝土柱的外加强环式节点进行了大量的研究。虽然目前外加强环式节点的理论公式已相对成熟,但这些公式都是在研究时所定的标准构造条件下所得出的。而对实际工程中不规则构造的研究还不够深入。针对这一情况,选取某大型站房中梁柱节点外加强环板部分进行研究,运用有限元程序ANSYS进行模拟,得出了当节点处两梁交角为0°、15°、30°、45°6、0°、75°和90°时,节点环板在受双向线荷载和位移作用的复杂受力状况下的等效应力值,分析了角度变化对环板应力分布的影响,对类似的实际工程有一定的借鉴作用。

海洋腐蚀环境下中空夹层钢管混凝土相贯焊接K形节点疲劳性能研究

为研究腐蚀环境下中空夹层钢管混凝土相贯焊接K形节点的疲劳性能,开展了3个腐蚀后中空夹层钢管混凝土相贯焊接K形节点疲劳试验,分析了节点疲劳裂纹萌生-扩展-失效机理、刚度退化规律及现有规范中的管节点疲劳寿命预测曲线的适用性。研究表明:腐蚀后节点疲劳裂纹萌生位置与最大热点应力位置和主管侧焊趾附近点蚀严重程度均相关。在高热点应力水平下,应力幅起主导作用,疲劳裂纹萌生寿命N_(2)和失效寿命N_(4)随着应力幅增加而降低;而在较低热点应力水平下,腐蚀程度占主导作用,N_(2)和N_(4)随着腐蚀率增加而降低。试验结果与现有设计规范计算结果对比表明,采用CIDECT建议的S-N曲线预测腐蚀中空夹层钢管混凝土节点的疲劳寿命将偏于不安全,而采用DNV、API等规范相关公式的计算值偏于保守。基于试验结果拟合了95%保证率的腐蚀后中空夹层钢管混凝土相贯焊接K形节点疲劳寿命预测S-N曲线,当疲劳寿命为2×10^(6)时,腐蚀节点的95%保证率的热点应力上下限分别为168.26 MPa和118.67 MPa。

钢管混凝土K形节点脱空后的承载力与防脱空措施研究

为研究钢管混凝土K形节点脱空后的承载力以及防脱空措施,通过有限元方法,模拟计算了钢管混凝土K形节点脱空后的力学性能,提出了防脱空建议,并进行了验证。结果表明,当支管壁厚较小时,不同脱空率下节点破坏模式均为受压支管局部屈曲破坏,极限承载力大致相同,脱空只影响节点弹性刚度,且节点弹性刚度随着脱空率的增大而逐渐减小;支管管壁较厚时,破坏模式为主管表面塑性破坏或冲剪破坏;随着脱空率的增大,节点的刚度及承载力均逐渐下降;主管内增设PBL后,主管表面刚度得到提高,不同脱空率下节点破坏模式均变为受压节点的局部屈曲破坏,各模型承载力大致相同;相比于原脱空钢管混凝土节点,节点刚度及承载力均有提高;PBL可显著降低核心混凝土脱空产生的不利影响,当脱空率较大时,PBL作用更加明显。

随机局部腐蚀作用下钢管混凝土K形节点的力学性能分析

桁式钢管混凝土组合结构由于传力明确、整体性能好,具备优越的结构性能与经济优势,在腐蚀环境下服役的跨海特大桥梁、沿海塔架、海洋平台等大型基础设施中得到广泛的应用。在此类结构中,主要承重构件与关键连接节点受到荷载与腐蚀长期耦合作用的影响,对结构的安全性与可靠性提出了严峻的挑战。在实际工程中,钢材表面的腐蚀作用通常以随机分布的局部腐蚀为主;以往,受试验条件与数值模拟技术的限制,对随机局部腐蚀作用下的钢管混凝土关键节点力学性能研究尚不多见,在一定程度上制约了对此类主体结构全寿命服役性能的认识及其科学设计方法的制定。基于此,对随机局部腐蚀与长期荷载耦合作用下钢管混凝土K形节点这一典型桁式组合节点的全过程力学性能展开深入研究。建立了可以考虑钢管外壁随机局部腐蚀及其对材料非线性约束作用的复杂时变影响的钢管混凝土K形节点精细化有限元分析模型。基于实际环境中海工钢结构随机局部腐蚀的分布规律,通过Python与ABAQUS的模型搭建,进行随机蚀坑分布生成、腐蚀单元识别与蚀坑区域自动化网格划分,实现了对弦、腹杆钢管外壁的随机局部腐蚀的模拟。此外,模型中考虑了腐蚀过程中材料间非线性约束作用的时变劣化以及核心混凝土的长期变形特性,且模型的准确性得到系列试验结果的验证。利用有限元模型,深入分析了节点在局部腐蚀作用下的破坏模态、全过程荷载-变形关系与剩余极限承载力;明晰了腐蚀类型(均匀分布或随机局部分布)、体积腐蚀率等重要参数对节点力学行为的影响规律。考察了随机局部腐蚀作用下影响钢管混凝土K形节点力学性能的重要参数,包括体积腐蚀率、材料强度、弦杆径厚比、腹弦杆管径比等。在参数分析结果的基础上,提出了钢管混凝土K形节点腐蚀后剩余强度的简化计算方法,结合有限元结果验证了公式的有效性。分析结果表明:随机局部腐蚀作用下的钢管混凝土K形节点的破坏模态主要为受压腹杆的局部屈曲,在受压腹杆的蚀坑集中区域往往会出现应力集中而发生局部屈曲失效;由于弦杆内填充混凝土,节点区域力学性能得以改善;与均匀腐蚀相比,局部腐蚀对钢管混凝土K形节点力学性能的影响更为显著,且局部腐蚀的随机分布会进一步降低节点的承载力,即当体积腐蚀率一定时,随机局部腐蚀节点承载力比非随机局部腐蚀情况多降低2%~5%;腹杆体积腐蚀率对节点承载力起控制作用。