平面内弯矩作用下T形圆管相贯节点热点应力分布

本文针对平面内弯矩作用下的T形圆管相贯节点焊缝处热点应力分布开展研究.利用径向拉伸法建立了T形圆管相贯节点的有限元网格模型,对热点应力分析结果的可靠性进行了网格密度分析和试验对比分析,提出了满足计算精度要求的基本密度网格.通过无量纲几何参数分析归纳了热点应力沿相贯线的环向分布规律及几何参数影响规律,发现了冠点波峰分裂现象及分裂过程中波峰曲线的三种变化形态,在此基础上提出了采用以π为周期的系数来修正冠点曲线形状的波形修正方法及分布曲线参数公式.与伦敦大学学院(University College London,UCL)两位学者的公式和试验数据进行对比分析,结果表明本文公式具有更简洁的表达形式和更高的精度.

支管轴压下高强钢圆管X形节点的承载力计算公式

研究了支管受压的Q460、Q690、Q960高强钢圆管X形节点的静力性能。采用经试验数据验证的有限元模型进行节点有限元参数分析,研究高强钢牌号、支管与主管外径之比(β)、主管外径与其管壁厚度之比(2γ)、主管轴向应力比(n)对节点性能的影响;与有限元参数分析和文献中试验结果对比,评价我国钢结构设计标准计算公式的适用性。结果表明,节点发生主管塑性破坏,节点承载力多由主管局部变形限值(3%主管外径)确定;多数情况下钢结构设计标准计算公式高估了高强钢圆管X形节点的承载力;主管受到压力或较大拉力时均会降低节点承载力。最后,针对不同钢材牌号的圆管X形节点给出了建议的2γ范围。基于主管塑性破坏,提出了考虑高强钢屈服强度、主管拉压效应的圆管X形节点承载力计算公式。

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。

平面KK型圆钢管相贯节点平面外受弯性能研究

对平面KK型圆钢管相贯节点在不同荷载形式(工况)下的平面外受弯性能进行研究。进行几何构造相同的两个节点试件在同向(KKBH-1)、反向(KKBH-2)平面外反复弯曲作用下的滞回试验。介绍节点试验的方案与测试原理,考察不同荷载形式下节点的受力性能和破坏模式。研究结果表明,无论哪种荷载形式,节点的破坏模式均为相贯线附近焊缝热影响区主管管壁冲剪破坏,节点均表现出较好的延性与抗震性能;节点更多是依赖主管管壁开裂后裂缝的扩散及塑性变形来耗能,尤其是对于KKBH-1试件;KKBH-1的屈服荷载与极限承载力均低于KKBH-2,但延性略强于KKBH-2。试验研究及应用有限元软件ABAQUS的分析均表明,不同的荷载形式对节点的受力性能影响较大,KKBH-1表现出节点承载力低于构件承载力的性能,而KKBH-2则相反。

圆管混凝土T型焊接节点热点应力试验研究

作为疲劳评估的基础性工作,试验研究了由圆钢管支管与圆钢管混凝土主管组成的焊接桁架T型节点(CFCHS)在支管轴向拉力、压力和平面弯矩作用下的热点应力分布及应力集中系数(SCF)特性.讨论了CFCHS节点的热点应力测试方法和试验结果,并与支管和主管均为圆钢管的T型焊接节点(CHS)进行比较,考察两种节点的性能差异.研究表明:CFCHS节点的热点应力,对主管可采用线性外推方法,对支管需采用二次外推方法;相比CHS节点,CFCHS节点的热点应力分布趋于均匀,SCF显著减小;CFCHS节点支管轴向受拉比受压不利,SCF增大;CFCHS节点几何参数β,τ,γ对主管SCF的影响效应与CHS节点基本一致,但是对支管SCF的影响效应与CHS节点有些差异;混凝土的作用主要是改善CFCHS节点刚度,从而降低SCF,并预期可提高疲劳强度,但混凝土自身强度等级的高低没有显著影响节点的SCF.

广州新电视塔环梁-立柱-支撑-牛腿焊接节点抗弯刚度性能研究

本文对广州新电视塔圆钢管环梁、支撑、牛腿、圆钢管混凝土立柱相互之间直接焊接节点的抗弯刚度性能进行了试验研究和数值分析,介绍了节点弹性抗弯刚度的测试和评价方法。研究表明,在结构分析时斜撑与立柱、环梁与牛腿、牛腿与立柱等焊接节点可作为刚性连接处理。与钢管-钢管焊接节点相比,钢管-钢管混凝土焊接节点在支管弯矩作用下的主管管壁转动变形显著减小,该变形主要来自支管受拉侧的主管顶壁与混凝土趋于脱开的变形。主管内再设置环向加劲肋有助于进一步提高节点刚度和强度,但是至少应在受拉侧的冠点设置。

管桁结构K型搭接节点滞回性能有限元数值分析

在管桁结构中,对于搭接节点隐藏焊缝焊与不焊的问题,现行钢结构设计规范GB50017-2003对此部分焊接未作明确要求.为揭示K型搭接节点隐藏焊缝焊接与否对节点抗震性能的影响,在试验研究的基础上,采用ANSYS有限元软件中的三维四节点弹塑性壳单元shell181建立有限元模型,对管桁结构K型搭接节点隐藏焊缝焊接与否进行了数值模拟,得到了2种不同焊接方式下的K型节点在往复荷载作用下的滞回曲线、骨架曲线及节点域的应力分布.分析结果表明:隐藏焊缝不焊接节点的滞回性能优越于隐藏焊缝焊接的节点;搭接节点的最大应力主要发生在两腹杆的搭接处,为此搭接节点的搭接率尽量要小点;ANSYS有限元结果与试验数据的吻合度较好,说明相贯节点的滞回性能的试验通过有限元模拟分析是可行的.

用外加劲肋加固T型圆钢管节点的试验研究

T型圆钢管节点主管轴向刚度较大,径向刚度较小,当通过支管向主管传递轴向力时,往往因为主管节点处径向承载力不够而发生较大变形甚至破坏,造成对支管强度的浪费。本文提出用外加劲肋加固T型节点,材料和施工成本较低。通过3组不同支管主管外径比的T型圆钢管节点承载力对比试验的研究,结果表明:由于外加劲肋的支撑,加固后的节点塑性区域扩大,节点极限承载力和变形能力提高,但极限承载力和变形能力的增幅随支管与主管外径比的增大而降低。工程中应根据不同支管与主管外径比,合理选择加劲肋尺寸。

Y型圆钢管相贯节点轴向刚度计算模型

为获得Y型圆钢管相贯节点轴向刚度实用计算公式,基于环向模型和节点局部变形与轴向刚度的关系,建立了半圆拱模型,并导出了节点轴向刚度的理论公式;运用泰勒级数等数学手段,将理论公式中的复杂函数简化为能反映自变量间相互影响的指数函数与幂函数的乘积,并根据单参数分析结果忽略次要因素支主管壁厚比,获得了Y型节点刚度的简化计算式.研究结果表明:节点刚度与材料弹性模量、支主管平面内夹角正弦平方的倒数和主管直径成正比;支主管直径比和主管径厚比对节点刚度的影响较大;简化公式计算的刚度值与有限元计算结果和已有试验数据的相对误差基本小于8%.

北京奥运会自行车馆双层球面网壳结构的设计与施工方法

北京奥运会老山自行车馆屋盖采用带环梁的双层球面网壳结构,网壳支承于倾斜的人字型钢柱之上,覆盖直径达149.536m,建成后将成为我国跨度最大的双层球面网壳结构之一。该结构跨度大,矢跨比小,网格杆件较多,设计、施工存在着较大的难度。因此采取何种结构体系,如何进行合理的计算模型分析与施工都需要进行深入的分析与有效的论证。本文对该结构的设计与施工进行了较为全面的介绍与分析。

管桁结构KK型搭接节点滞回性能的数值分析

在管桁结构中,对于搭接节点隐藏焊缝焊与不焊的问题,现行GB 50017—2003《钢结构设计规范》对此部分焊接未作明确要求.为揭示KK型搭接节点隐藏焊缝焊接与否对节点抗震性能的影响,采用ABAQUS有限元软件中的4节点完全积分格式的壳单元S4建立有限元模型,对管桁结构KK型搭接节点隐藏焊缝焊接与否进行数值模拟,得到2种不同搭接方式下的KK型节点在往复荷载作用下的滞回曲线、骨架曲线及节点域的应力分布.分析结果表明:隐藏焊缝不焊接节点的滞回性能优越于隐藏焊缝焊接的节点;搭接节点的最大应力主要发生在支管的搭接处,为此搭接节点的搭接率尽量要小;沿主管轴线方向有间隙,而垂直于轴线方向的支管两两搭接的KK节点的滞回性能更优越.

不锈钢圆管T形、Y形相贯节点支管受拉承载力研究

随着不锈钢结构的广泛应用,不锈钢相贯节点越来越多地用于建筑结构中.然而,不锈钢圆管相贯节点的性能和设计方法却鲜有研究.考虑几何因素和弦杆预加载荷对节点承载力的影响,共对6个T形和3个Y形不锈钢圆管相贯节点,进行了支管受拉承载力试验研究.获得了材料性能、破坏模式、节点承载力和载荷-变形曲线.试验结果表明:T形、Y形节点的破坏模式相似,均为节点域弦杆的塑性变形.基于试验结果建立了节点有限元分析模型,经试验验证后进行了参数化分析,以研究支管受力状态对节点承载力的影响.数值分析结果表明:不锈钢圆管T形、Y形相贯节点支管受拉承载力始终大于支管受压承载力.基于国内外设计规范中支管受拉与支管受压T形相贯节点采用相同设计公式的背景,采用文献[15]提出的不锈钢圆管T形和Y形支管受压相贯节点承载力设计公式预测节点承载力,并与CIDECT计算结果对比.结果表明:CIDECT计算结果是偏保守的,文献[15]提出的公式具有良好的准确性.

大曲率主管的圆钢管X型节点轴压承载力研究

为研究大曲率主管的圆钢管X型节点轴压性能,采用数值模拟方法对96个不同支、主管外径比β、主管径厚比2γ和主管曲率半径R的圆钢管节点进行有限元参数分析。有限元参数分析结果表明:支、主管外径比β对节点的破坏模式影响较大;曲率半径R对节点破坏模式影响较小。小β值节点主管出现局部凹陷之后产生一定薄膜效应导致承载力出现一定回升;大β值节点试件主管仅出现椭圆化变形无承载力回升现象。当β=0.8时,随着曲率变化节点极限承载力变化较小。当β=0.2、0.4和0.6时,主管曲率半径大于12倍主管直径时,极限承载力变化较小;主管曲率半径小于12倍主管直径时,极限承载力随曲率增大而有所提高。对于相同的主管径厚比2γ,主管曲率半径大于12倍主管直径时,极限承载力变化较小;主管曲率半径小于12倍主管直径时,极限承载力随曲率增大而有所提高。在欧洲钢结构规范(Eurocode3 Design of Steel Structures)中的主管平直的圆钢管X型节点极限承载力计算公式的基础上,采用乘以修正系数的方式拟合出大曲率主管的圆钢管X型节点轴压承载力计算公式,为该类节点的设计提供参考。

管结构主方支圆K型搭接节点滞回性能参数分析

为揭示主方支圆K型搭接节点隐藏焊缝焊与不焊对节点滞回性能的影响,按照参数θ,β,τ,Ov的变化,设计了12种节点试件,采用ANSYS非线性有限元法,对该类节点进行了数值模拟,得到了各参数试件的滞回曲线、骨架曲线和延性性能等抗震性能指标.研究结果表明:参数θ,β,τ,Ov的变化对节点承载力的影响不是十分显著,YN节点的滞回及延性性能均优越于YH节点;随着θ,τ,Ov的增加,YN节点的滞回性能均有增加,随着β的增大,YN与YH节点的滞回耗能基本没变;不论是隐藏焊缝焊接与否,τ试件的能量耗散能力基本一致,参数θ,β,Ov对节点能量耗散影响明显,YN节点的能量耗散能力比YH节点优越.

搭接节点圆钢管桁架结构轴力计算模型

以平面K型圆钢管搭接节点的试验数据为基础,通过对试验桁架建立铰接、半铰接和刚接杆系有限元模型,计算受外荷载作用下试验桁架各杆件的轴力.有限元计算结果和试验数据对比分析可知,节点试件腹杆和弦杆轴力的试验平均值更接近半铰接模型的计算结果.进一步弹塑性分析表明,在一定的几何参数条件下,搭接节点腹杆轴力可以根据半铰接模型得到的腹杆内力比例和实际加载量确定.建议在后续的搭接节点试验中,可将非节点区域的腹杆壁厚加大,以便通过弹性方法直接反算杆件轴力.

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。

高铁虹桥站钢桁架-钢管混凝土柱节点性能试验研究

最近建设完成的京沪高速铁路上海虹桥站结构中,有一种钢桁架-钢管混凝土柱焊缝连接的新型节点,该节点构造和受力性能极其复杂。本文对该节点进行了1∶4缩尺模型承载力试验研究,介绍了如何实施对该复杂节点加载的试验方法,讨论了节点的受力性能、薄弱环节和破坏模式。试验表明该节点构造设计有效,具有足够的承载力,可达到设计荷载的3倍,并具有良好的塑性变形能力。但是,节点也显示出薄弱坏节,表现为在钢桁架受拉斜腹杆翼缘与节点环板竖向加劲肋的焊接部位出现开裂现象。建议适当增大受拉斜腹杆端部的翼缘弯折曲率半径,平缓腹杆向竖向加劲肋的传力,可使节点性能得到进一步完善。

主管管壁加厚的T型圆钢管节点抗火性能有限元研究

分别对未加固T型圆钢管节点和主管管壁加厚的T型圆钢管节点在高温恒载作用下的抗火性能进行了有限元分析.通过试验结果验证了有限元模型的有效性,并在此基础上建立了瞬态分析模型.分析时,升温曲线及热力学参数均按照欧洲规范(Eurocode 3)的规定选用;采用间接热力耦合的方法;忽略高温蠕变的影响.考虑了荷载比及主管管壁加厚程度对主管变形、主管端部轴向反力的影响;对比了不同荷载比下临界时间和临界温度;得到了不同情况下模型的失效模式.分析发现管壁加厚能有效提高T型圆钢管节点的耐火性能,并且在加固节点中,当管壁厚度和荷载比均较大时,失效模式由节点失效变为构件失效.

轴向载荷下多平面DT型管节点应力集中系数概率模型研究（英文）

应力集中系数作为一个随机变量,对管节点及导管架平台的疲劳可靠性评估结果有着重要影响。文章以多平面DT型管节点为研究对象,建立了352个几何参数不同的三维管节点有限元模型,并分析了沿弦管-撑管焊缝处的应力集中系数分布。采用密度直方图描述最大应力集中系数统计样本的特征,利用疲劳可靠性分析中常用的几种概率分布进行拟合。各个概率模型中的参数通过极大似然估计方法得到。根据卡方检验的结果对比发现,Birnbaum-Saunders分布是最适合的概率模型。因此,文中提出一组适用于描述在轴向载荷即单向轴向和平衡轴向载荷作用下多平面DT型管节点弦管侧和撑管侧最大应力集中系数分布的概率模型,对今后导管架式海洋平台结构的疲劳可靠性分析具有重要意义。

X形方圆钢管相贯节点超低周疲劳断裂试验研究

为研究焊缝类型和内加肋板对钢管相贯节点超低周疲劳性能的影响,开展了3个X形方圆钢管相贯节点的超低周疲劳试验,研究了节点的破坏形态,分析了节点处的应变分布规律,得到了节点的疲劳寿命。试验结果表明:3个X形方圆钢管相贯节点的裂纹均起始于节点的鞍点位置,角焊缝和熔透焊缝X形方圆钢管焊接相贯节点均呈现出冲切破坏特征,并且焊缝形式未对节点的变形能力和疲劳寿命产生明显的影响。主管采用的内加劲肋的节点呈现出拉伸断裂破坏特征,其变形能力较差,并且断裂破坏前没有明显的表面裂纹,断裂突然发生,因此在较高烈度的地震设防区,从节点的抗断裂性能和变形能力考虑,在工程设计中,不建议采用主管内加劲肋来提高节点的承载能力。