主管中灌混凝土平面X形圆钢管混凝土节点平面内抗弯性能试验研究

对主管中灌混凝土平面X形圆钢管混凝土节点在支管平面内弯矩作用下的极限承载性能进行单调加载的试验研究。实施6个不同截面几何参数的主管中灌混凝土平面X形圆钢管混凝土节点平面内抗弯极限承载力试验。介绍了节点试验方案,描述了X形圆钢管混凝土节点平面内弯曲破坏现象,给出荷载-支管端位移曲线、弯矩-主管局部变形曲线、弯矩-转角曲线以及节点区域应变强度分布曲线,并将支主管外径比β、主管径厚比γ和支主管壁厚比τ对节点平面内抗弯极限承载力和平面内抗弯刚度的影响进行讨论。试验研究结果表明:主管灌混凝土后并没有在主管中形成明显的刚域;在一定参数条件下,主管中灌混凝土的X形圆钢管混凝土节点平面内受弯极限承载力、抗弯刚度均随着β、τ值的增加和γ值的减小而提高;各试件在最大弯矩作用下,所有试件的支管根部测点都进入塑性,主管上大部分测点保持弹性状态;主管中灌混凝土对圆钢管节点平面内抗弯极限承载力有一定的提高,在一定参数条件下提高甚至达到48%,但若实际工程中取欧洲规范弯矩值与支管全截面塑性弯矩值中的最小者计算节点抗弯承载力,在一定的钢管几何参数下不一定是安全的,需要进行深入的有限元参数分析。

槽型套管加强方钢管X形节点平面内受弯性能试验

槽型套管适用于在役钢管结构的节点局部加强,可有效提高节点承载力和刚度。为研究槽型套管对方钢管节点平面内受弯性能的加强效果,对5组支主管宽度比β为0.58、0.7和1.0的试件进行平面内受弯试验。试验表明槽型套管加强可以有效提升节点受弯性能,β=0.58和β=0.7时槽型套管加强节点的受弯承载力分别提高37%和163%;加强节点的刚度略低于等宽节点,但其延性更优;支主管宽度比和槽型套管厚度是影响加强节点平面内受弯性能的主要参数。槽型套管加强可有效保护节点主管,使试件失效模式由主管或焊缝破坏转移为支管破坏。进一步机理分析表明,加强套管可与主管管壁形成共同承载体,通过局部增厚作用提高节点承载力和刚度。据此对比分析了该类加强节点受弯承载力计算公式的适用性,可供设计参考。

平面X形圆钢管混凝土节点平面外受弯性能试验研究

为了解平面X形圆钢管混凝土节点的平面外受弯性能,分别对4个主管填混凝土和4个支管填混凝土的平面X形圆钢管节点进行支管平面外弯矩作用下的试验研究。考察了支管、主管分别填混凝土2种情况下节点的破坏模式和应力分布,并分析了钢管内混凝土对节点平面外抗弯刚度及承载力的影响。试验中支管填混凝土节点出现了主管塑性、支管局部屈曲和支管受拉侧焊缝或热影响区管壁开裂的破坏模式,主管填混凝土节点则发生了支管局部屈曲及支管受拉侧焊缝开裂破坏。主管填混凝土节点与支管填混凝土节点相比,由于主管内填混凝土对于主管管壁的局部变形起到明显的约束作用,明显提高了主管的径向刚度,增大了节点的平面外抗弯刚度。实测节点承载力与欧洲规范计算的空钢管节点理论承载力比较表明,主管内填混凝土能极大提高节点平面外受弯承载力,最大可提高132%;支管内填混凝土可使节点平面外受弯承载力最大提高60%。

X形圆钢管相贯节点平面内受弯抗震性能试验研究

为了研究X形圆钢管相贯节点的平面内受弯抗震性能,进行了支主管直径比β不同的2个正交X形节点(支主管夹角θ=90°)和2个斜交X形节点(θ=55°)的平面内受弯滞回性能试验,并进行了有限元分析。结果表明:四个X形节点均表现出良好的抗震性能,均为相贯线附近主管管壁开裂破坏,均以主管管壁的塑性变形及开裂后裂纹扩散为主要抗震耗能模式。对比之下,提高支主管直径比β能显著提高X形节点的平面内抗弯承载力、延性和耗能能力;正交节点在正、负弯矩作用下的承载力及延性均较接近;斜交节点在负弯矩作用下的承载力大于在正弯矩作用下的承载力,但其在正弯矩作用下的延性更好;β较大斜交节点在正、负弯矩作用下的承载力及延性的差异比β较小时更明显;无论是β较大还是β较小的X形节点,斜交节点的能量耗散系数小于相应的正交节点;当夹角θ较小(≤55°)时,采用因子1/sinθ略偏保守地估计支主管斜交对节点负向平面内抗弯承载力的加强作用,但高估了支主管斜交对β较大节点的正向平面内抗弯承载力的加强作用。

支主管夹角对X形圆钢管节点平面外受弯性能影响

应用于单层网壳结构的X形圆钢管相贯节点往往具有支主管平面内非正交、平面外夹角的几何特征。为了研究支主管平面内、平面外夹角对节点平面外受弯性能的影响,进行了支主管平面内夹角不同的两个X形节点试件的平面外受弯滞回性能试验、以及理论研究和有限元分析。研究结果表明:两个节点均表现出较好的抗震性能和变形能力,节点主要依赖主管管壁的塑性变形以及开裂后裂缝扩展来耗能;支主管平面内夹角较小时,节点域主管管壁的塑性发展更加缓慢、均匀,节点具有更高的承载力和抗震性能;支主管平面外夹角导致节点平面外抗弯弹性刚度和反向抗弯承载力降低、但增强了节点的正向抗弯承载力。

腹杆内灌混凝土十字形圆钢管节点平面内抗弯性能试验研究

对腹杆内灌混凝土十字形圆钢管节点在腹杆平面内弯矩作用下的极限承载性能进行了单调加载的试验研究。实施了6个不同截面几何参数的腹杆内灌混凝土十字形圆钢管节点平面内抗弯极限承载力试验。本文介绍了节点试验方案,描述了节点平面内弯曲破坏现象,给出了荷载—腹杆端位移曲线、弯矩—弦杆局部变形曲线、弯矩—转角曲线以及节点区域应变强度分布曲线,并将腹杆与弦杆外径比β、弦杆径厚比γ和腹杆与弦杆壁厚比τ对节点平面内抗弯极限承载力和抗弯刚度的影响进行了讨论。试验研究结果表明:γ和τ值最大的试件平面内抗弯刚度模式接近刚域模式,其余试件接近非刚域模式;在一定参数条件下,腹杆内灌混凝土的节点试件平面内抗弯承载力、初始抗弯刚度都随着β值的增大和γ值的减小而提高,提高的程度与β、γ具体大小有关,而τ值对抗弯承载力和抗弯刚度的影响不大;各试件在最大弯矩作用下,除τ值较大节点试件的腹杆上所有测点都保持弹性外,其余试件腹杆上测点则部分进入塑性;所有试件的弦杆测点均进入塑性;若实际工程中取欧洲规范弯矩计算值与腹杆全截面塑性弯矩计算值中的最小者计算节点抗弯承载力,则τ值较小节点试件的平面内抗弯极限承载力与理论弯矩相当,而τ值较大节点试件的平面内抗弯极限承载力低于理论弯矩,偏于危险,需要进行深入的弹塑性理论分析。

十字形与T形圆钢管节点平面内受弯抗震性能对比

规范认为T形和十字形圆钢管节点的平面内抗弯承载力相同,但两类节点的受力特性不同。为了全面对比T形节点和十字形节点的平面内受弯性能,进行了6个节点(4个十字形和2个T形)平面内往复弯矩加载试验,并进行了受力机理分析和有限元分析,其中十字形节点进行了两侧支管同向受弯、反向受弯两种加载模式。结果表明:所有节点均为节点域主管管壁延性撕裂破坏,表现出较好的抗震性能;增加支主管直径比β能明显提高节点的抗弯承载力、延性、耗能能力;T形节点的抗弯承载力高于十字形节点,但延性不如十字形节点,T形节点的耗能能力介于十字形节点在两种加载模式下的耗能能力之间;对比反向受弯加载,同向受弯加载对β较小(接近及小于0.7)十字形节点的性能(耗能、延性和承载力)不利,但对β较大(接近及大于0.9)十字形节点的性能有利。

平面外夹角对X形圆钢管节点平面外抗弯承载力的影响

为了分析支管与主管平面外夹角(简称面外角)对空间X形圆钢管相贯节点平面外抗弯承载力的影响,建立了节点的有限元模型,确定了节点平面外转角的获取方法,与已有试验结果及规范公式对比后,确定0.07弧度节点转角准则作为节点平面外抗弯承载力的判定方法。根据大量有限元计算结果分析了面外角对空间X形圆钢管相贯节点平面外抗弯承载力的影响,并在已有规范公式基础上,建立了考虑面外角影响的节点承载力计算式。研究结果表明:面外角有利于节点的正向平面外抗弯,但不利于节点的反向抗弯,面外角对支主管直径比小于0.6的节点抗弯承载力的影响较小,但对直径比大于0.75的节点的影响较大,改进后的计算式较好地反映了有限元分析结果。

X形圆钢管节点平面内受弯滞回性能试验研究

为了研究X形圆钢管节点平面内受弯滞回性能,进行了两个节点在往复平面内弯矩作用下的试验研究.结果表明:两个节点的破坏模式均为相贯线附近焊缝热影响区的主管管壁开裂,开裂前主管管壁经历显著的塑性发展;节点表现出良好的滞回性能;主管管壁塑性变形和开裂后的裂纹扩散成为节点的主要耗能模式,尽管支管根部的塑性变形对耗能也有贡献.对比支主管正交节点(支主管夹角90°),支主管斜交节点(支主管夹角非90°)具有更高的抗弯承载力,并且具有更好的延性和耗能能力.当支主管斜交且夹角较大(大于70°)时,夹角正弦的倒数能较好地反映了支主管斜交对节点承载力的有利影响.

圆钢管混凝土X型节点轴压承载力研究

采用ABAQUS分析软件对圆钢管混凝土X型节点进行轴压荷载作用下的非线性分析,依据轴压荷载作用下节点各组成部分的应力分布情况及圆钢管混凝土节点承载力随相贯角度、宽厚比、竖向连接板厚度、衬板厚度、混凝土强度等控制参数的变化曲线,提出了节点承载力的计算式模式,通过拟合得出最终的节点承载力计算式。研究表明:相贯角度、宽厚比、混凝土强度对其承载力影响较大,竖向连接板的厚度、衬板厚度对其承载力影响相对较小;所提出的节点承载力计算式精确度较高且偏为安全,可用于工程实际中构件承载力的计算。

X形方钢管节点平面内抗弯性能试验研究

为研究X形方钢管节点平面内的抗弯性能,对2支直焊节点试件及4支采用内隔板加劲的节点试件进行了拟静力试验研究。试验中主管竖直放置,荷载直接施加在主管的端部;支管水平放置且端部与支座用销拴连接。试验中大部分节点试件表现为支管与主管焊缝处的主管表面撕裂破坏,但其中2支β=0.56的加劲节点试件表现为焊缝处的支管断裂破坏。设置内隔板可显著提升X形节点的平面内抗弯能力,β较小试件的峰值弯矩提高幅值都超过56%;β较大试件的峰值弯矩提高幅值更为明显,在99%~180%;同时,加劲X形节点的支管转动受到明显的抑制,节点的抗弯能力得到显著提高。

圆钢管混凝土桁架K形节点极限承载力计算方法研究

圆钢管桁架在主管内填筑混凝土,可有效提高其承载力。为了获得圆钢管混凝土桁架K形节点受力性能和承载力计算方法,研究了在受拉或受压支管处K形节点的失效模式和破坏机理;基于圆钢管混凝土K形节点在不同失效模式下的破坏机理和受力状态,分别对支管截面形式为圆形或矩(方)形的圆钢管混凝土K形节点建立合理的简化计算模型,推导出不同失效模式下K形节点极限承载力计算公式,并给出相应的极限承载力建议公式。试验验证了圆钢管混凝土K形节点的试验值与计算值吻合较好,研究表明圆钢管混凝土K形节点的极限承载力计算公式的准确性,可应用于圆钢管混凝土桁架结构计算和设计,也为相关标准建立和完善提供理论依据。

圆钢管混凝土Y形节点极限承载力计算方法

文章研究了支管受拉或受压的圆钢管混凝土Y形节点在各种失效模式下的受力性能和破坏机理,基于不同失效模式下的破坏机理和受力状态,建立了合理的力学计算模型,提出了支管截面形式为圆形或矩(方)形的圆钢管混凝土Y形节点极限承载力计算方法,并通过试验验证了所提计算方法的合理性。研究结果表明,文中所提出的圆钢管混凝土Y形节点极限承载力计算方法可以用于圆钢管混凝土桁架结构设计和实际工程。

支主管夹角对X形圆钢管节点轴向传力的影响

为了研究支主管夹角对X形圆钢管相贯节点轴向受力性能的影响,进行相关试验来校验有限元模型,以有限元为手段分析了支主管夹角对X形节点在支管轴力作用下的传力特性和承载力的影响;根据有限元参数分析结果,对支主管夹角较小的节点的承载力提出了改进建议.研究结果表明:节点试件的破坏模式为相贯线附近主管管壁局部屈曲;当支主管非正交但夹角大于60°时,节点的传力特性与支主管正交节点的相近,符合Togo模型的假定,现行规范中的夹角正弦的倒数项能精准地反映夹角对节点承载力的影响;但当节点的支主管夹角小于45°时,其传力特性与Togo模型的假定有较大的差异,夹角正弦的倒数也低估了支主管夹角对节点承载力的提高,对于夹角接近30°的节点甚至低估了30%;因此建议当夹角小于45°时,在规范已有的节点承载力计算式的基础上乘以修正系数.

X形圆钢管相贯节点的轴向滞回性能

为了研究X形圆钢管相贯节点在支管轴向荷载作用下的抗震性能,进行了节点在支管轴向往复荷载作用下的试验,分析了节点的延性和耗能模式,以及节点轴拉承载力和轴压承载力之间的差异。研究结果表明:节点的破坏模式为相贯线附近主管管壁塑性软化后开裂破坏;节点的轴力—局部变形滞回曲线饱满,表现出良好的变形能力和延性;节点主要通过相贯线附近主管管壁的塑性变形及裂缝扩展(开裂后)来耗能;节点的轴拉承载力明显高于轴压承载力。

KK形圆钢管相贯节点平面外受弯抗震性能研究

为了研究KK形圆钢管相贯节点的平面外受弯抗震性能,对KK形节点进行平面外往复弯矩加载试验,并将KK形节点的试验结果与已有钢管相同的X形节点的试验结果进行对比分析,考察2类节点的平面外受弯性能的差异。试验结果表明:KK形圆钢管节点的破坏模式为主管管壁塑性开裂,开裂后承载力下降缓慢,节点主要依靠主管管壁塑性发展和开裂后的裂纹扩散来耗能,节点的延性系数超过6,表现出良好的抗震性能和变形能力。而由于相邻支管相互作用,KK形节点在一根支管处的平面外抗弯承载力比相应的X形节点低了约23%,接近EC3规范关于X形节点平面外抗弯承载力公式计算值。此外,通过受力机理分析和有限元分析发现,在平面外弯矩作用下,KK形节点的核心区的受力方式为4角承受拉力作用,而X形节点的核心区则为2个对角方向拉力作用,KK形节点的塑性发展比X形节点更加均匀,且覆盖面更广。2个节点的试验结果对比也表明,KK形节点的耗能能力、变形能力以及延性均比X形节点更强。

曲线CHS主钢管X形节点平面内受弯性能研究

为研究曲线CHS主钢管X形节点平面内受弯性能,建立了节点数值分析模型。首先,通过与轴压试验结果对比,验证了所建模型的准确性。进而分析主管曲直径比α、腹主管直径比β、主管径厚比γ对节点平面受弯性能的影响,并将有限元所得节点抗弯承载力与国外规范结果的比值M_(uf)/M_(u1)、M_(uf)/M_(u2)、M_(uf)/M_(u3)进行对比分析。结果表明:当α≤12时,节点抗弯承载力随α增大而降低;而当α>12时,节点抗弯承载力基本不变。随β值增大,节点抗弯承载力增大;随γ值减小,节点抗弯承载力增大。美国规范未考虑γ的影响;日本规范所得M_(uf)/M_(u3)值较大,偏安全;欧洲规范M_(uf)/M_(u2)更趋近于1.0。最后选定欧洲规范公式作为抗弯承载力的基准公式,基于有限元结果对公式修正,最终得到CHS主钢管X形节点平面内抗弯极限承载力修正设计公式,供工程设计参考。

型钢混凝土L形柱-混凝土梁框架节点滞回性能试验研究

为研究型钢混凝土L形柱-混凝土梁框架节点的滞回性能,以柱截面配钢形式、轴压比、水平加载角度及有无楼板参与工作为变化参数,进行4个平面和7个空间L形柱-混凝土梁框架节点的拟静力试验;比较分析试件的破坏形态、滞回曲线、承载能力、刚度退化、耗能能力、位移延性以及层间位移角等抗震性能指标。研究结果表明:平面节点和空间节点的破坏形态分别为核心区发生剪切破坏和梁端出现塑性铰,带楼板工作的钢筋混凝土梁柱空间节点出现板的弯曲破坏以及梁底出现塑性铰的破坏模式;配实腹式型钢试件的滞回曲线比配空腹式型钢试件的饱满;平面节点的承载能力比空间节点的大,但耗能能力、位移延性及抗倒塌能力均不及空间节点;楼板的存在对节点承载能力的提高和维持刚度的稳定均具有有利作用;轴压比可提高节点的承载力和初始刚度;L形柱框架节点的层间变形能力大于规范规定的层间位移角限值。通过引入加载角度,提出了型钢混凝土L形柱-梁空间节点受剪承载力计算模型,其能较好地反映节点核心发生剪切破坏的传力机制。

平面外弯矩作用下T形圆管节点热点应力分布

确定钢管相贯节点热点应力沿相贯焊缝的分布情况是计算热点应力极值的基础.对平面外弯矩作用下的T形圆管相贯节点焊缝处热点应力分布开展研究,并提出了其应力分布曲线方程.利用径向拉伸法建立了T形圆钢管相贯节点的有限元网格模型,对焊趾处热点应力分布的计算结果进行了可靠性分析,并将三种不同密度网格模型的应力分析结果进行对比.结果表明,基本网格密度可满足计算精度要求.利用经试验验证的有限元模型分析了T形圆钢管相贯节点在平面外弯矩作用下的热点应力沿相贯线的分布规律,考查了四个无量纲几何参数对应力分布曲线形状的影响,在此基础上拟合并确定了基于三角正弦函数的曲线修订公式.经与UCL公式和试验数据对比分析,表明本文公式具有更高的精度.

主管灌混凝土平面X形圆钢管节点受压承载力试验研究

对6个不同截面几何参数主管中灌混凝土的平面X形圆钢管节点在支管轴向压力作用下的承载性能进行单调加载试验研究。描述了X形圆钢管混凝土节点破坏现象,给出了支管轴力-整体位移曲线、支管轴力-主管管壁变形曲线以及节点区域折算应变分布曲线,并将支主管外径比β、主管径厚比γ和支主管壁厚比τ对节点承载力和抗压刚度的影响进行分析。结果表明:节点初始抗压刚度随着β、γ的增大而提高,而τ对初始抗压刚度影响很小;所有节点试件主管测点都未进入塑性,均为支管根部冠点首先进入塑性,且直到破坏时折算应变一直保持最大;主管灌混凝土使钢管节点承载力明显提高。有限元计算结果与试验结果吻合较好。