平面KK型矩形钢管节点静力试验研究

依托某主题广场月牙形艺廊单层网壳钢屋架结构,选取其最不利受力节点,设计了中心插板节点和毂节点两种KK型矩形钢管节点,分别对其足尺模型进行静载试验,测试分析模型节点区域的应变及应力分布规律,对比分析支管端部的位移变化。结果表明:1)设计荷载水平下,两个节点均满足受力要求;毂节点和中心插板节点的最大试验荷载约为等效设计荷载的2.85倍和3.25倍,节点安全储备较高;2)在最大试验荷载作用下,两个节点支管根部与中心构件相贯焊缝附近部分均不同程度地屈服,毂节点圆筒内加劲肋焊缝局部出现开裂;3)相同荷载作用下,中心插板节点相应位置应力应变水平相对较低,故中心插板节点的承载强度较高;4)由试验荷载-位移曲线分析得出毂节点的各肢平均位移比中心插板节点约大13.3%,表明中心插板节点弹性刚度较大。

工字形钢梁-矩形钢管柱单向螺栓节点抗弯承载力理论计算方法

针对工字形纯钢梁和钢-混凝土组合梁分别与矩形钢管柱和矩形钢管混凝土柱采用单向螺栓(也称单边拧紧螺栓)连接形成的4种节点形式,对其在弯矩作用下的受力机理及破坏模式进行分析,讨论导致节点失效的因素。总结节点在弯矩作用下的9种失效模式,包括:单向螺栓拉断、端板受弯屈服、矩形钢管柱壁翼板受拉屈服、矩形钢管柱壁翼板受压屈服、矩形钢管柱壁腹板受压屈曲、混凝土楼板局部压溃、钢筋屈服、矩形钢管柱内混凝土局部压溃、矩形钢管柱壁腹板受压屈服,进而基于破坏模式给出节点各组件承载力的计算公式。对4种节点在不同破坏模式下的正弯矩承载力和负弯矩承载力进行分析,给出节点承载力计算公式。将节点抗弯承载力的理论计算结果与试验结果进行对比,验证理论计算方法的可靠性。

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。

考虑弯曲应力占比的矩形钢管K型节点疲劳评估

为提高S-N曲线法与断裂力学法等疲劳评估方法的准确性,探讨了矩形钢管K型节点在支管拉压平衡荷载作用下的弯曲应力占比计算方法。首先建立了矩形钢管K型节点有限元模型并结合试验进行了验证,然后通过大量的参数分析得出了节点几何参数对弯曲应力占比的影响,最后通过多元非线性回归分析推导出弯曲应力占比的计算公式及考虑工程实际应用偏安全的修正公式,给出了基于断裂力学法的矩形钢管K型节点断裂评估算例。结果表明:建立的模型与试验值相比,弯曲应力占比平均值为1.051,均方差为0.167,两者最大差值仅为7.5%,说明建立的有限元模型可靠;提出的弯曲应力占比计算公式与有限元计算结果相比,其均值为1.073,均方差为0.055,变异系数为0.051,相对差值在10%之内,验证了拟合公式的可靠性;考虑实际工程偏安全应用,在99.73%的保证率下提出乘以0.93倍的安全系数对弯曲应力占比计算公式进行修正;当热点应力相近,弯曲应力占比降低39.3%时,疲劳寿命会降低10%,膜应力变大时会导致其裂纹尖端具有更大的应力强度因子而加快了裂纹扩展的速率。

矩形钢管和矩形钢管混凝土T形不等宽受拉节点轴向刚度

为获得T形节点轴向刚度简化计算公式,根据节点受力特点,提出了适用于矩形钢管节点的平面框架模型和适用于矩形钢管混凝土节点的固端梁模型,并推导得到了2类节点的节点轴向刚度理论公式;运用有限元方法对节点轴向刚度理论公式中的节点域有效长度leff进行参数分析,拟合得到leff简化计算公式;将节点轴向刚度理论公式与试验及有限元结果进行了对比,并分析了主管内填混凝土对节点轴向刚度的影响。结果表明:主管高宽比和主管宽厚比对leff的影响较小,不予考虑;leff与主管宽度和支管高宽比均呈线性关系,且随之增大而增大;leff与支主管宽度比β呈非线性关系,且随之增大而减小;2类节点的轴向刚度理论公式计算结果与试验结果及有限元结果均吻合较好;主管内填混凝土可以提高节点轴向刚度,提高系数kc/h随着主管高宽比的增大而增大,随着β的增大呈现先增大后减小的规律,且当β=0.6~0.7时提高最大。

矩形钢管焊接空心球节点承载能力的简化理论解与实用计算方法研究

国家游泳中心“水立方”的新型多面体空间刚架结构采用配合矩形钢管、且承受轴力与弯矩共同作用的焊接空心球节点,目前规范对该类节点的设计方法尚属空白。在有限元分析和试验研究的基础上,进一步研究轴力、弯矩及两者共同作用下矩形钢管焊接空心球节点的承载能力及设计方法。首先推导基于冲切面剪应力破坏模型的节点承载力简化理论解,从而得到节点承载力计算公式的基本形式。在此基础上,利用有限元分析和试验结果,建立了轴力、单向弯矩以及两者共同作用下节点承载力的实用计算公式。对双向任意弯矩作用的情况,提出了基于线性插值的简化计算方法。成果可供实际工程设计采用,也可供相关规程修订时参考。

矩形钢管焊接球节点的有限元分析与试验研究

为了解轴力、弯矩及两者共同作用下矩形钢管焊接空心球节点的受力性能与承载能力,进行了有限元分析和试验研究.采用理想弹塑性应力-应变关系、Von-Mises屈服准则,建立了基于几何非线性的有限元模型,对承受轴力、弯矩及它们共同作用的矩形钢管焊接球节点进行了大量的有限元参数分析.对4个典型足尺节点进行了试验研究,直观了解节点的受力性能和破坏机理,并验证了有限元模型的可靠性.研究表明,轴力和弯矩共同作用的焊接球节点的轴力-弯矩相关关系与节点的几何参数无关,极大地简化节点承载力的计算方法.

主管内填混凝土对矩形钢管节点受力性能的影响

为研究主管内填混凝土对矩形钢管节点受力性能的影响,探讨主管内填混凝土矩形钢管节点的受力机理,对比分析了主管内填混凝土矩形钢管节点和空钢管节点的受压、受拉和受弯性能,结果表明主管内填混凝土能够改善节点的受力性能,显著提高矩形钢管受压节点的承载力,受压节点的破坏模式转变为横向局部承压破坏;对矩形钢管受拉节点承载力提高不明显,但提高了节点的刚度,改变节点的破坏模式;能够提高受弯节点的刚度和承载力,其破坏模式可采用支管受拉翼缘有效宽度模型.主管内填混凝土后矩形钢管节点的承载力可根据对应的破坏模式来计算.

空间多维复杂方管桁架强化节点的承载力

为比较不同强化方式空间多维方管桁架节点的力学性能,结合呼和浩特火车东站客运站的大跨度钢结构屋盖,对典型空间交汇的复杂方管桁架节点的承载力进行了计算.分别考虑了节点核心区盖板加厚强化、主弦杆增设内加劲板强化和未强化3种节点,通过单调加载和低周往复循环加载,获得了3种节点的静力和滞回力学性能,并比较了3种节点的刚度、承载力和延性变化规律.计算中将微动力阻尼系数引入牛顿-拉普森方程,改善了局部屈曲等强非线性问题的收敛性.研究表明,内加劲强化使节点变形更均匀,但盖板加厚强化在满足实际工程设计要求的同时较内加劲强化容易处理,施工质量易于控制.

T形矩管节点不同强化方式的力学性能研究

研究了矩管钢管桁架T形强化节点的基本受力特征和性能差异,借助大型通用有限元程序ADINA,建立了无强化与4种不同的强化方式共5组不同构造参数的T形连接节点数值模型,结合节点实际受力状况分别考虑单向轴力、单轴拉压作用以及拉压轴力与水平干扰力组合作用三种工况,进行了极限承载力和滞回性能的数值分析计算,得出外套管强化节点具有相对较好的综合力学性能,可为类似工程节点强化构造设计以及后续矩管桁架强化节点试验研究提供参考。

主支管截面高度比大的矩形钢管偏心相贯节点平面外抗弯承载力

通过有限元计算获得支主截面高度比(简称高度比)不小于0.9的十字形矩形钢管偏心相贯节点的平面外抗弯承载力,并利用参数分析和回归分析,建立高度比不小于0.95、基于“主管侧壁挤压屈曲”破坏模式的矩形钢管偏心相贯节点的平面外抗弯承载力计算式。结果表明:前文基于“主管表面屈服”破坏模式的偏心相贯节点抗弯承载力计算式的高度比适用范围可从0.85推广至0.9,所提出的计算式适用于高度比为0.95~1.0的偏心相贯节点的抗弯承载力,对于高度比为0.9~0.95的节点,建议取两个节点承载力计算式的较小值。

新型矩形管柱和H形钢梁连接节点设计研究

高频焊接矩形管柱生产效率高,抗扭性能好,平面外刚度好,并且根据需要内部可以充填混凝土,提高抵抗局部屈曲的能力,比目前的采用焊接(变截面)H型钢的轻钢厂房有更好的经济性。为提高梁柱连接节点的承载力、减小节点变形,提出了箱形柱柱顶与梁上翼缘齐平,槽钢与梁端板等厚,槽钢向上伸出长度以满足安装一排高强螺栓的要求,并设置三角形加劲肋与柱顶盖板和槽钢焊接,箱形柱顶和槽钢内面满焊的节点形式,分析表明这种节点有很高的刚度和强度,能很好地满足刚性连接的要求。

计及轴向压力的方管节点塑性铰线模型

塑性铰线分析模型已成功用于估计由弦杆表面屈服控制的各种管节点的强度;然而弦杆自身的轴向压力对节点承载力的影响仍然是用一个经验折减系数来考虑的.为了计算在轴向压力作用下沿倾斜塑性铰线的极限弯矩,研究者们提出了各种理论模型.该文对这些模型进行了分析和对比.结果表明,采用简化假设的阶梯形塑性铰线模型用于评价T形方管节点的强度与试验结果和有限元计算结果符合得最好.

基于应力线性化和主S-N曲线的方形管节点疲劳评估方法

通过对美国新奥尔良大学董平沙教授的基于结构应力的主S-N曲线法的介绍,提出了一种基于应力线性化的主S-N曲线法,并给出该方法的操作流程。就方形管节点,分别采用董平沙教授的主S-N曲线法、美国ASME规范中的主S-N曲线法以及文中所述基于应力线性化的主S-N曲线法,进行疲劳寿命评估和比较。通过与热点应力法计算结果进行对比,表明该方法简单易行,且与热点应力法的结果更为接近。

PBL加劲型矩形钢管混凝土受拉节点热点应力集中系数计算方法

考虑了PBL加劲型矩形钢管混凝土支管受拉节点支主管宽度比与厚度比和主管宽厚比,建立了热点应力集中系数有限元模型,计算了支主管节点热点应力集中系数;基于最小二乘法对计算结果进行拟合,给出不同几何参数下节点热点应力集中系数计算公式,对比了矩形钢管节点和PBL加劲型矩形钢管混凝土节点应力集中系数和荷载幅。计算结果表明:采用有限元模型计算的热点应力集中系数曲线与静力试验曲线基本一致,支主管交汇处各位置热点应力集中系数有限元计算结果与CIDECT规范公式计算结果平均比值分别为1.006、1.007、1.013、1.015和0.987,两者差值小于15%,因此,有限元模型可靠;PBL加劲型矩形钢管混凝土支管受拉节点热点应力集中系数变化规律基本一致,随支主管宽度比呈抛物线变化,在0.6~0.8之间达到最大值,随主管宽厚比和支主管厚度比增大而增大,与CIDECT规范中矩形钢管节点计算结果一致;拟合得到的PBL加劲型矩形钢管混凝土节点热点应力集中系数公式计算结果与有限元计算结果的平均比值为1.011,均方差为0.222,变异系数为0.219,说明了拟合公式准确;采用应力集中系数计算公式,将PBL加劲型矩形钢管混凝土节点与矩形钢管节点进行对比,PBL加劲型矩形钢管混凝土节点支管热点应力集中系数下降了68%以上,主管热点应力集中系数下降了61%以上,在2.0×106循环次数作用下,容许荷载幅提高到3倍以上。

基于热点应力法的矩形钢管混凝土组合桁梁桥节点疲劳评估

为准确评估矩形钢管混凝土组合桁梁桥节点疲劳性能,引入热点应力法,可通过平面杆系模型、空间杆系模型和三维实体模型计算节点焊趾处的热点应力幅,并通过对52个节点疲劳试验数据回归分析,拟合得到热点应力幅-循环次数曲线;选取陕西黄延高速一座矩形钢管混凝土组合桁梁桥为典型案例进行节点疲劳评估,并对原有节点设计方案的构造进行优化。研究结果表明:相比于墩顶矩形钢管混凝土节点,跨中矩形钢管节点热点应力幅更大,为60.1 MPa,发生在主管表面,但是小于欧洲规范Eurcode中的容许疲劳强度71 MPa,满足疲劳设计要求;对跨中疲劳易损节点进行设计构造优化,原设计矩形钢管节点变为矩形钢管混凝土节点后,管内混凝土改变了节点局部刚度,使相贯线焊趾处应力分布均匀,支、主管表面热点应力幅平均降低25.1%,对原设计节点进行焊缝后处理,可有效消除焊接初始拉应力,改善节点疲劳性能,支、主管表面热点应力幅平均降低14.9%;采用空间杆系模型对优化后的跨中矩形钢管混凝土节点进行疲劳评估,支、主管表面最大热点应力幅分别为58.9、54.1 MPa,大于三维实体模型计算得到的支管和主管表面最大热点应力幅45.2、47.1 MPa,空间杆系模型计算结果偏保守,且无法像三维实体模型一样准确计算不同热点位置的疲劳效应,也无法准确判断疲劳开裂起始位置。

矩形钢管偏心相贯节点的平面外抗弯性能研究

为了研究十字形矩形钢管偏心相贯节点的平面外抗弯性能,进行了节点试验.根据试验的破坏特征建立了节点承载力的屈服线模型并推导出理论式,通过有限元参数分析对理论式进行改进,结合回归分析,建立节点平面外抗弯承载力的实用参数化计算式.结果表明：节点试验的破坏模式为主管表面屈服,节点承载力与主管截面高度和主管壁厚的平方成正比,支主管截面高度比对节点承载力的影响较大,支主管壁厚比和主管截面高宽比对节点承载力的影响较小,参数化计算式所得承载力与试验结果相差3.4%、与有限元结果的相差大多小于10%.

冷弯不锈钢X型矩形管节点试验研究

对高强奥氏体型(316)不锈钢、奥氏体-铁素体双相型(2205)不锈钢和普通强度的奥氏体型(304)不锈钢X型矩形管节点进行了系统的静力试验研究,其中对部分试件的主管施加了轴压力,观察到主管翼缘塑性破坏、主管腹板屈曲破坏和支管局部屈曲破坏的典型破坏模式。通过试验发现:对主管施加轴压力对冷弯不锈钢X型矩形管节点的承载力并没有显著的影响。试验结果与按现行澳大利亚/新西兰冷弯不锈钢结构设计规范、国际管结构研究与发展委员会(CIDECT)和欧洲标准委员会(CEN)制订的碳素钢管节点设计规范和我国钢结构设计规范的计算结果进行了对比,发现按现行设计规范关于平面管节点的计算结果都极为保守,相对而言,按中国规范的计算结果对比试验结果无论是接近度还是离散度都比按CIDECT规范的计算结果更小、更合理。

矩形钢管单层网壳预埋螺栓装配式节点及其受弯性能试验研究

提出了一种适用于矩形钢管单层网壳结构的新型装配式节点,该节点通过预埋螺栓的方式避免杆件开孔对截面的削弱,构造简单、传力路径清晰,且装配简单方便。通过16个节点的四点弯曲试验,研究了该类节点的受弯性能及失效模式。结果表明:该类节点具有良好的受弯性能,节点受弯能力随螺栓直径的增大、杆件端板厚度的增加以及杆件端板距节点体距离的减小而增强;在弯矩作用下,节点的失效模式主要包括杆件失效、螺栓失效及杆件端板失效;与杆件开孔节点相比,所提节点在受弯承载力及变形能力方面具均有优势,但初始抗弯刚度略低。与试验结果的比较表明,考虑接触效应的非线性有限元分析模型可以较好地模拟节点的受弯性能。