K型钢管节点的焊缝有限元模型建立

近些年,钢管桁架结构由于精美的视觉效果、卓越的力学和优良的经济性能,被广泛使用于大跨度空间结构中。在多维数控设备的发展背景下,直接焊接相贯节点便成为钢管桁架结构的主要连接形式。本文以前人试验数据为依据,应用有限元软件通过在弦杆和腹杆的交界处增加一圈焊缝壳体单元,并且此焊缝壳体单元的厚度取为弦杆壁厚的一半来建立焊缝壳体有限元模型,计算其极限承载力,以此验证本文所建模型的准确性。

矩形钢管K型节点复合型应力强度因子计算方法研究

相比圆形钢管桁架,矩形钢管桁架在施工方面具有一定的技术经济优势,并已广泛应用于桥梁工程中,鉴于断裂力学法评估该类结构疲劳性能的需要,该文探讨矩形钢管K型节点在支管拉压平衡荷载作用下的应力强度因子计算方法。提出带表面裂纹矩形钢管K型节点有限元建模方法,并与试验进行验证;通过参数分析,研究节点和裂纹几何参数对节点几何修正系数Y的影响;多元回归分析拟合得到矩形钢管K型节点应力强度因子计算公式及其修正后的设计计算公式,并通过算例分析给出基于断裂力学的钢管节点剩余疲劳寿命评估方法。结果表明:有限元结果与试验结果比值均值为1.012,变异系数为0.034,两者最大差值仅为5.5%,表明有限元计算结果可靠;节点几何参数2γ、τ与Y呈正相关,θ与Y呈负相关,其原因主要在于节点相贯线处刚度和受拉荷载变化,改变了裂纹尖端应力场,从而影响了裂纹扩展速率,裂纹几何参数c/a与Y呈正相关,但影响不明显,a/t0与Y呈负相关;提出的应力强度因子计算公式与有限元计算结果吻合良好,且修正后用于设计的计算公式具有95%的可靠度;圆形钢管节点应力强度因子高于矩形钢管节点,平均提高24.9%,说明在相同荷载工况下,圆形钢管节点裂纹扩展速率更快,算例分析也进一步验证该结论,圆形钢管节点剩余疲劳寿命为2.1×105次,低于矩形钢管节点的剩余疲劳寿命2.3×105次。

K型钢管混凝土节点疲劳性能试验研究

以湘潭四大桥桁架拱为工程背景,进行了三种规格的K型钢管混凝土节点的疲劳试验,基于热点应力计算了K型钢管混凝土节点的疲劳荷载幅值,表明热点应力法能够较好地评估钢管混凝土节点的疲劳寿命;试验表明K型钢管混凝土节点的疲劳性能明显优于K型钢管节点。在此基础上初步提出了K型钢管混凝土节点的S—N曲线,对建立K型钢管混凝土节点疲劳寿命设计准则具有一定的参考意义。

大跨越钢管塔K型节点滞回性能分析

应用Abaqus软件对大跨越钢管塔中常见的K型节点进行了抗震性能数值试验研究,分析了主、支管直径、节点板厚度、主管轴心压力、连接插板厚度及支管间隙尺寸等不同参数变化对K型节点抗震性能的影响,得到了节点的滞回性能曲线、骨架曲线和耗能能力。研究表明:钢管节点本身具有良好的抗震性能;当主管轴向压力增大时,节点抗震性能下降明显,节点因应力集中易发生破坏;增加主、支管直径和节点板厚度对提高圆管节点抗震性能效果较显著;支管间隙尺寸对节点滞回性能改良效果不明显。

阵列式布设内栓钉的钢管混凝土K型节点足尺模型疲劳性能研究

为研究阵列式布设内栓钉的钢管混凝土K型(CFST KS)节点疲劳性能,进行CFST KS节点和不布设内栓钉的钢管混凝土K型节点(CFST K)足尺模型的疲劳试验和有限元研究,对比分析了2种节点的热点应力分布、疲劳裂纹扩展过程和疲劳破坏模式,研究了内栓钉布设区域与排布方式对热点应力的影响,采用基于热点应力的S-N曲线探讨疲劳寿命的判定标准与疲劳寿命评价方法。结果表明:CFST KS节点的热点应力宜采用3点外插法计算,最大热点应力位于冠点处;CFST KS节点的疲劳性能演化过程可以分为疲劳裂纹的萌生、扩展和破坏三个阶段,CFST KS节点较CFST K节点在裂纹扩展阶段荷载反复次数更高,在裂纹破坏阶段疲劳裂纹的扩展速率更低,由于布设了内栓钉,疲劳裂纹扩展至鞍点附近后不再继续沿着相贯线方向扩展,而往主管环向且与主管轴线呈一定角度发展;建议采用CFST K节点冠点应变峰值变化15%对应的荷载反复次数作为疲劳破坏的判定基准;提出了基于热点应力的CFST K节点疲劳设计S-N曲线,并依据S-N曲线预测在同等热点应力幅下,布设内栓钉可以使CFST K节点的疲劳寿命提高45%;减少支管侧内栓钉的轴向间距和径向间距可以提高节点的疲劳性能,非支管侧的栓钉布置、栓钉的尺寸以及栓钉的轴向布置范围对疲劳性能的影响较小,栓钉的轴向布置范围对栓钉自身的受力状态有所影响;基于CFST KS节点静力与疲劳性能提出了内栓钉的合理布置形式。

混凝土对K型方钢管节点抗震性能的影响

为考察K型方钢管节点主管中填充混凝土对节点抗震性能的影响,对1个K型方钢管节点(空管节点)以及1个节点主管中填充混凝土的K型方钢管混凝土节点进行低周反复荷载试验,根据试验数据,对节点的破坏模式、滞回性能、承载力、延性、刚度和耗能能力进行对比分析。结果表明:K型方钢管节点主管中填充混凝土后,提高了节点的承载力、延性、刚度,但却降低了节点的耗能能力。

轴向受力下钢管混凝土K型节点应力集中系数影响分析

钢管混凝土K型节点广泛应用于钢管混凝土桁式拱桥,但该类型节点的疲劳破坏已在现有的桥梁中发现。以实际工程建立钢管混凝土K型节点有限元模型,进行了主管径厚比2γ,主支管的壁厚比τ、管径比β、夹角θ和偏心率ρ五个参数分析,揭示其在轴向受力下几何参数对应力集中系数的影响。研究结果表明:钢管混凝土K型节点最大SCF远小于空钢管K型节点,尤其在受压支管周边;各影响参数中,主支管的管径比参数β对SCF的影响是最显著的,主管的径厚比参数2γ对SCF的影响是最小的。

钢管桁架节点焊缝疲劳裂纹的相控阵超声检测

以某桥梁结构中的钢管K型节点疲劳性能试验为研究背景,研究相控阵超声检测钢管节点疲劳裂纹的有效性。试验过程中采用相控阵超声检测设备跟踪和记录钢管K型节点疲劳裂纹的萌生和扩展,并与应变测试结果和节点疲劳裂纹切片结果进行对比分析。结果表明:相控阵超声检测技术能够对管节点疲劳裂纹进行准确地定量和定性分析;相控阵超声检测技术能够在裂纹萌生的早期先于目视观测到疲劳裂纹。因此,可采用相控阵超声检测代替常规检测对实际结构的TKY管节点相贯焊缝的疲劳裂纹进行检测。

K型、KK型间隙方钢管节点静力工作性能的试验研究

为研究多平面直接焊接方钢管节点性能,本文对6个K型和8个KK型直接焊接方钢管节点进行了静力试验研究。通过对节点破坏模式和极限承载力的分析,研究了几何参数(β、g)、支杆作用位置和空间作用对节点极限承载力的影响。采用ANSYS程序中四节点板壳单元对试验节点进行了弹塑性、大挠度有限元分析。将试验数据、CIDECT公式计算结果及有限元计算结果进行了比较。研究结果表明,采用ANSYS分析方钢管节点是可行的。空间作用对KK型方钢管节点承载力有明显的影响,支杆偏离弦杆纵向轴线作用使节点承载力有一定程度的提高。

基于钢管K型节点刚度的应力集中系数计算方法

采用通用软件MSC.MARC建立三维实体有限元模型,进行钢管K型节点应力集中系数参数分析。基于现有钢管K型节点试验与有限元分析结果,说明现有规范中钢管K型节点应力集中系数计算公式的不足。采用理论推导和回归分析相结合的方法提出基于节点刚度的钢管K型节点应力集中系数计算方法,并验证该计算方法的准确性和适用性。研究结果表明:有限元分析与试验得到的钢管K型节点最大位移和最大热点应力偏差分别不超过5.11%和6.83%,验证了有限元分析结果具有较好的精度;对比有限元分析结果发现,由于钢管K型节点几何参数之间存在交叉关系,即变化其中一个几何参数会造成其他几何参数的变化,使得几何参数对钢管K型节点应力集中系数存在相互耦合作用;现有钢管K型节点应力集中系数计算方法是通过单一参数回归得到,无法考虑几何参数对钢管K型节点应力集中系数的相互耦合作用,且安全度相对较低,不适用于桥梁结构中钢管K型节点应力集中系数的计算;本文中提出的基于节点刚度的钢管K型节点应力集中系数计算方法不仅能够考虑节点不同几何参数对钢管K型节点应力集中系数的相互耦合作用,而且能够提高评估和计算桥梁结构中钢管K型节点应力集中系数安全度和精度。

平面K型主圆支方钢管节点力学性能数值分析

以平面K型主圆支方钢管节点的试验数据为基础,建立有限元参数分析模型,进行了非线性有限元参数分析。研究揭示了节点受力全过程,破坏模式以及分布规律。重点考察了支管边长与主管直径比值β、主管的径厚比γ和支管与主管的壁厚比τ对节点极限承载力的影响。有限元参数分析结果表明:主管的径厚比γ和支管与主管的壁厚比τ对节点极限承载力影响较大,而支管边长与主管直径比值β影响较小;γ和τ值均比较小的节点破坏时支管达到杆件极限承载力,说明节点效率大于1,其它几何参数的节点破坏时支管并没有达到杆件极限承载力即节点效率小于1。在国际焊接协会中的平面K型圆钢管节点极限承载力计算公式的基础上,应用多元线性回归方法拟合出平面K型主圆支方钢管节点的承载力计算公式;通过公式本身的回归校验和试验结果以及有限元数据的统计分析,证明该文建立的该类节点极限承载力计算公式具有较高精度。

方圆相贯节点轴向刚度与参数的分析

应用ANSYS结构分析软件,选用K型方圆相贯节点模型,研究分析几个重要参数对节点刚度性能的影响。提取轴向刚度并引入轴向刚度承载力因子ωN,通过轴向刚度ωN曲线确定各个参数对轴向刚度的影响,明确轴向刚度随各个参数的变化规律。

国家体育场桁架柱外柱节点试验研究

国家体育场焊接箱形截面桁架柱外柱节点中采用了内设加劲肋的K型搭接节点,且部分节点与次结构腹杆相连接。为考察此类构造复杂的桁架外柱节点的静力承载性能,分别进行了无次结构和有次结构外柱节点的1∶4缩尺模型试验和有限元分析。本文详细介绍了节点试验的试验方法和结果,给出了节点的应变发展规律、受力性能和破坏模式。试验结果和有限元分析结果表明,采取了内设加劲肋等加强措施的桁架柱外柱节点具有较高的承载性能,节点强于杆件。