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%。

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。

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。

长期荷载与随机局部腐蚀耦合作用下钢管混凝土K形节点应力集中系数分析

由钢管混凝土弦杆与空钢管腹杆组成的钢管混凝土K形节点受力性能优越、外形美观,在大型桁式基础设施中得到广泛应用。当该类结构服役于海洋环境中时,通常受到交变荷载与腐蚀的长期耦合作用,严重影响其安全性。为研究长期荷载与随机局部腐蚀耦合作用下钢管混凝土K形节点的应力集中系数,建立了考虑钢管外壁随机腐蚀形貌、材料性能时变劣化以及材料间非线性约束的有限元分析模型。分析了体积腐蚀率、蚀坑几何特性与空间分布特性等参数对节点应力集中系数的影响规律,并与常用于简化设计的均匀腐蚀工况进行对比。结果表明:在均匀腐蚀作用下,体积腐蚀率是影响节点应力集中系数的关键参数,最大应力集中系数首先出现在腹杆冠趾处,并随着弦杆体积腐蚀率的增加而向受拉侧弦杆冠趾移动;而在随机局部腐蚀作用下,节点应力集中系数受多因素耦合的复杂影响,随着蚀坑三维几何参数、空间分布位置的改变呈非线性变化。基于参数分析结果,分别提出了均匀腐蚀与随机局部腐蚀两种工况下钢管混凝土K形节点应力集中系数的简化计算方法,计算结果与数值分析结果吻合良好。

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。