新型KKX型空心直管锥头节点参数化分析

当应用于大跨度、超大跨度空间结构时,新型KKX型空心直管锥头节点不仅可以节约钢材,同时又利于腹杆与弦杆的相贯焊接.该节点核心区由节点管、空心切头锥两部分组成.本文采用ANSYS参数化分析了节点管直径及其壁厚、弦杆直径及其壁厚、腹杆直径及其壁厚对节点承载力的影响.分析表明:节点管、腹杆的直径及其壁厚对节点承载力有显著影响,弦杆2的直径及其壁厚、弦杆3及弦杆4的壁厚对节点承载力影响较小,建议设计时弦杆2取较小的直径,弦杆2、弦杆3及弦杆4取较薄的壁厚.最后通过多元线性回归拟合了节点承载力设计公式,为工程实践提供参考.     

KT型相贯节点承载力有限元及设计方法分析

对KT型圆钢管空间相贯节点的极限承载力进行非线性有限元分析,揭示KT型相贯节点的受力性能。结果表明：在支杆轴力大小不同的情况下,随着支杆与弦杆直径比角、腹杆与弦杆直径比屉、支杆与弦杆厚度比τ1、腹杆与弦杆厚度比τ2和弦杆径厚比γ的变化,节点发生弦杆局部屈曲模式、腹杆轴向屈曲破坏和支杆强度破坏3种破坏模式;有焊缝的加强作用,节点承载力有所提高;分析支杆与腹杆轴力不同比值情况下的节点承载力,提出KT型节点承载力简化设计公式。     

圆钢管混凝土K形相贯节点承载力计算模型研究

以圆钢管混凝土平面K形相贯节点试验数据为基础,以弦杆径厚比γ、腹杆与弦杆管径比β、壁厚比τ和夹角θ为研究参数,建立有限元参数分析模型,进行非线性有限元参数分析,得到该类型节点的典型破坏模式,并建立了节点的极限承载力计算模型.结果 表明:圆钢管混凝土K形相贯节点典型破坏模式是腹杆失效和弦杆冲剪破坏,控制指标是腹杆与弦杆的壁厚比τ和夹角θ.在CIDECT建议的空心圆钢管相贯节点基于冲剪破坏的极限承载力计算公式基础上,采用最小二乘法得到圆钢管混凝土K形相贯节点的冲剪承载力计算模型,并通过回归校验得出建立的公式具有较高精度.     

荷载效应下空间KX型圆钢管相贯节点极限承载力研究

应用双重非线性有限元对荷载效应影响下的KX型圆钢管相贯节点进行了广泛的数值分析,获得了荷载效应影响下节点的极限承载力与破坏模式。根据不同几何参数(βx、τx和Φi)对节点极限承载力的影响规律,总结出在同样的支腹杆轴力比下,支杆管径的变化对节点极限承载力的影响较大,而支杆壁厚τx与横向夹角Φi的变化对节点的极限承载力基本没有影响。工程设计中空间KX型节点的支腹杆管径不应相差过大,且在满足工艺要求的基础之上可选择相对较薄的支杆壁厚。     

空间效应影响下KX型圆钢管相贯节点极限承载力研究

应用双重非线性有限元对空间效应影响下的KX型圆钢管相贯节点进行了广泛的数值分析,分别获得了几何效应和荷载效应影响下节点的破坏模式与极限承载力.不同支腹杆轴力比下引起空间KX节点发生弦杆管壁局部屈曲破坏模式的原因主要有三种,即轴力比较小为负、较大为负和轴力比为正时.根据不同几何参数下节点极限承载力的变化规律,对于几何尺寸相同的弦杆与腹杆,支杆截面越大,对节点域刚度的贡献作用就越大,节点极限承载力的提高幅度也越大;支腹杆轴力比一定时,支杆的管径越小,对节点的极限承载力越不利.工程设计中空间KX型节点的支腹杆截面尺寸不应相差过大.     

K型及T型管节点的极限承载力参数分析

采用ANSYS有限元方法建立考虑焊缝的有限元模型,对K型及T型钢管节点的几何参数腹杆与弦杆直径比β、弦杆径厚比γ、腹杆与弦杆壁厚比τ进行数值分析。得到对K型钢管节点,弦杆与腹杆的夹角θ不变时,节点极限承载力与β、γ及τ值有关。对T型钢管节点,当β值增大而γ值减少时,节点的极限承载力增大,但是τ值对节点的极限承载力影响不大,在满足承载力的前提下,可适当减少腹杆的厚度,并基此提出实际应用中的一些建议。     

平面KT型圆钢管搭接节点有限元参数分析与承载力计算

以平面KT型圆钢管搭接节点的试验数据为基础,从节点破坏模式、变形过程和承载力等方面对节点的非线性有限元建模方法进行校验。研究揭示了贯通直腹杆受压搭接节点的破坏过程和塑性区扩展情况,重点考察了贯通直腹杆受压且内隐蔽部分焊接的搭接节点几何参数和内隐蔽部分焊接与否对节点承载力的影响。有限元参数分析结果表明：腹、弦杆直径比和弦杆径厚比的变化对搭接节点的承载力影响较大,而腹、弦杆壁厚比和搭接率影响较小;内隐蔽部分未焊接明显降低贯通直腹杆受压的搭接节点承载力;KT型圆钢管搭接节点承载力均大于相应的KT型和N型零间隙节点承载力。最后,在N型零间隙节点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KT型圆钢管搭接节点的承载力计算式;该计算式与试验结果吻合良好,且具有较好的连续性和适用性。     

支座底板直连接型焊接空心半球节点受力性能试验研究及分析

为研究支座底板直连接型焊接空心半球节点在受拉压状态下的力学性能,设计制作了8个试件。通过试验和有限元分析方法,获得了节点的破坏模式、荷载-位移曲线和荷载-应变曲线。结果表明,受压工况下试件的破坏模式为半球先屈服支管后屈服、支管屈服和半球表面屈服,受拉工况下为半球先屈服后支管与半球相交处半球表面产生裂纹。节点承载力随半球直径、半球壁厚、支管直径及受力工况的不同而改变,受支管壁厚影响较小。在受力过程中,支管分别承受拉压力的节点试件在支管与半球相交区域的测点最先进入屈服状态,其余加载工况下试件最不利位置均为半球顶部。基于对218个有限元模型在受压和受拉工况下的参数化分析,非线性拟合提出了节点极限承载力计算公式,并考虑了加劲肋对节点承载力的影响,给出承载力提高系数。     

平面K型圆钢管搭接节点静力性能的试验研究

对平面K型圆钢管搭接节点的静力性能进行了静力单调加载的试验研究。实施了7个内隐蔽部分不焊接节点和3个内隐蔽部分焊接节点的试验。本文介绍了节点试验方案,考察了搭接节点的受力性能和破坏模式,并对内隐蔽部分焊接与否、焊脚尺寸、节点处集中荷载幅值以及腹杆搭接顺序对节点极限承载力的影响进行了讨论。试验研究结果表明,贯通腹杆受压时内隐蔽部分焊接与否虽然对节点的破坏模式和应力分布有一定的影响,但是对节点极限承载力影响较小;当腹杆与弦杆的壁厚相对值变小后,由于传力不均匀导致的腹杆局部破坏将成为主要破坏模式,而这一因素和所导致的承载力降低在既有的规范公式中尚未有相应的反映。     

基于微观断裂机制的XK型相贯节点极限承载力分析

采用基于微观断裂机制的空穴扩张模型（VGM）和应力修正应变模型（SMCS）对XK型相贯节点进行断裂预测,分析了有限元模型中考虑焊缝构型与否对断裂预测结果的影响。通过与试验结果的对比,证明了合理考虑焊缝构型在相贯节点断裂预测中的重要性,验证了VGM模型用于预测相贯节点在单调荷载作用下延性断裂的适用性。分析了XK型相贯节点在腹杆轴力作用下的破坏模式和极限承载力。结果表明,XK型相贯节点可能在受拉腹杆与弦杆之间的焊缝处发生断裂,这种破坏模式属于强度破坏,节点极限承载力应取该断裂荷载|XK型相贯节点也可能在受压腹杆与弦杆相交处因过大的塑性变形而破坏,此时,节点极限承载力应取荷载-弦杆变形曲线的峰值荷载。XK型相贯节点的破坏模式与节点几何构造和腹杆受力状态有关。     

支杆与腹杆轴力比值对KT型圆钢管相贯节点承载力的影响

对KT型圆钢管空间相贯节点的极限承载力进行非线性有限元分析,揭示支杆与腹杆轴力不同比值情况下的节点承载力,提出KT型节点承载力简化计算公式。     

国家体育场焊接方管桁架双弦杆KK节点设计研究

结合国家体育场大跨度钢结构设计,提出任意角度相交焊接方管桁架双弦杆KK节点的几何构型方法,可用于各种复杂角度的腹杆汇交、弦杆呈折线形、弦杆侧壁与腹杆侧壁不垂直等多种情况,适用范围较大。通过调整节点域板件的角度,改善其构造的合理性。综合采用调整板厚、设置加劲肋等措施,提高节点的承载力,实现“强节点”的设计理念。双弦杆KK节点的缩尺模型试验表明,试件的应力分布与有限元计算非常接近,节点具有较大的安全储备。     

钢管混凝土桁梁受弯试验研究

针对钢管混凝土桁式受弯构件的整体受力性能,设计并制作了钢管混凝土桁梁试件,进行了四分点对称加载,分析了钢管混凝土桁梁的变形与应变分布模式、破坏模式和承载力等。试验结果表明:钢管混凝土桁梁变形比实腹梁小很多且主要集中于边段;桁梁节点受力复杂,节点承载力是结构承载力的控制因素;弦杆填充混凝土可增大弦杆的径向刚度并约束节点变形,避免发生弦杆钢管塑性失效,从而提高节点承载力。四分点对称荷载作用下,全焊桁梁腹杆实际分担的轴力值小于铰接桁架的计算值,弦杆承受了较大的弯矩;节点破坏前桁梁试件边段腹杆有较明显的剪切变形。     

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。     

钢管桁架节点效率系数研究

为对桁架节点受力性能及其与桁架整体力学性能的相互关系进行研究,基于已有的桁架节点承载力及刚度计算方法,得到了桁架节点承载力效率系数和刚度效率系数两个无量纲参数。其中节点承载力效率系数定义为腹杆轴力作用下节点承载力与腹杆发生强度破坏承载力的比值,节点刚度效率系数则定义为腹杆轴力作用下节点轴向刚度与腹杆线刚度的比值。在此基础上,给出了考虑节点力学性能影响的钢管桁架抗弯刚度及承载力简化计算方法,对工程常见参数范围内的矩形及圆形钢管桁架节点承载力、刚度效率系数进行参数分析。结果表明：桁架节点刚度及承载力效率系数实质上反映了钢管桁架节点与腹杆力学性能的量化相互关系,其可在桁架层面对不同类型的节点力学性能进行比较,还可以作为节点力学性能评估和方案优化设计的通用评价指标;依据节点承载力、刚度效率系数可对钢管桁架抗弯刚度及承载力进行快速、准确地估算;为避免桁架由于节点失效过早发生破坏,建议将节点承载力效率系数大于0.8且节点刚度效率系数大于5的桁架定义为满足“强节点弱构件”设计理念的桁架。     

腹杆截面不对称圆钢管搭接节点极限承载力研究

本文建立了合理的有限元模型,对腹杆截面不对称圆钢管搭接节点进行材料和几何非线性计算,得出的极限承载力具有相当的准确度。由分析可知,把直径较大和壁厚较厚的腹杆作为贯通腹杆节点,其极限承载力较高且构造较为合理。当搭接腹杆直径变小、壁厚变薄后,CW和TW型搭接节点极限承载力均相对对称节点下降。通过对公式的计算结果与钢管节点数据库中腹杆不对称圆钢管搭接节点试验结果进行比较可知,计算公式可以准确地预测腹杆截面不对称搭接K型节点极限承载力。     

首都博物馆新馆大跨度结构设计中的创新技术

首都博物馆新馆上部大跨度钢结构受力复杂。利用风洞模拟大气边界层气流,对屋盖上、下表面和建筑外墙在各种风向角下的风压分布情况、风环境等进行了测试。在屋盖挑檐的端部设置百叶,有效地减小了长悬臂结构的风荷载效应。从多自由度体系在脉动风荷载作用下的运动方程出发,根据随机振动理论推导出了用于大跨度结构计算的风振系数公式,并考虑了场地类别、结构阻尼比对脉动增大系数ξ的影响。在国内首次采用热完成工艺成型方管作为主桁架的弦杆与腹杆,桁架的腹杆与弦杆直接相贯焊接,为了使设计经济合理,采用了多种方式提高节点的承载力。针对传统柱间预应力支撑体系存在的张拉过程复杂、柱顶偏移不易控制、在柱间桁架下弦杆引起附加轴力等问题,提出在中柱两侧布置人字形拉杆的支撑形式,大大简化了预应力张拉过程,有效避免了柱顶的偏移,减小了柱间桁架下弦的附加轴力。     

矩形管-圆管T形节点轴压承载力试验研究

我国现行钢结构设计规范中没有对腹杆(支管)为矩形管、弦杆(主管)为圆管的节点(支方主圆节点)强度计算公式。EC3规范、CIDECT指南等虽给出了支方主圆节点承载力的计算公式,但与腹杆为H形截面的节点(支H主圆节点)承载力计算公式采用了完全相同的形式,其合理性有待验证。对4个轴压T形节点试件进行试验研究并进行了有限元分析。发现支方主圆的T形节点以纵向板传力为主,支H主圆的T形节点以横向板传力为主;支管截面外包尺寸相同时,前者的承载力会不同程度大于后者。将试验结果与EC3、CIDECT的承载力计算公式进行对比,发现公式低估了腹杆纵向板相对宽度对承载力的影响。通过有限元分析,对试件弦杆采用不同边界条件的试验结果进行可比性研究,提出比较不同试验结果的"等效长径比"概念。     

N形主方支圆钢管间隙节点受力性能研究

为研究N形主方支圆钢管间隙节点的静力性能及其与搭接节点受力性能的关系,对2个N形主方支圆钢管间隙节点和2个对应的搭接节点进行了节点承载力试验研究。试验表明：间隙节点的承载力低于相同管径的搭接节点,4个节点的主管均出现了明显的塑性变形,支管较小的2个节点其支管也发生了局部屈曲,试件破坏时间隙节点的主管壁相对变形比相应的搭接节点要大。以试验为基础,建立了N形主方支圆钢管间隙节点的有限元分析模型,对不同支管直径与主管宽度比、主管宽度与壁厚比、支管与主管的壁厚比、主管轴力及支管间隙的节点进行了有限元分析。研究表明：支管全截面屈服破坏(BMF)、主管壁局部塑性破坏(CP)和支管局部屈曲与主管壁局部塑性破坏的联合破坏(BLB+CP)是N形主方支圆钢管间隙节点的主要破坏模式;支管直径与主管宽度比、主管宽度与壁厚比、支管与主管的壁厚比、主管轴力对N形主方支圆钢管间隙节点承载力的影响与对搭接节点的影响具有类似的规律;支管间隙大小对N形主方支圆钢管间隙节点承载力的影响不容忽视。利用线性回归方法,在GB 50017—2017《钢结构设计标准》现有承载力计算公式基础上,拟合出了考虑相关影响因素的承载力修正计算...     

X形圆管斜插板节点轴压性能试验研究

对10个X形圆管斜插板节点试件在插板轴压力作用下的承载性能进行单调加载试验研究。以插板厚度和插板平面与圆管轴线平面之间夹角为变化参数进行节点轴压性能试验,研究了X形圆管斜插板节点在插板轴压力作用下的破坏模式,分析了荷载-端板位移曲线,节点区域应变强度分布,以及插板相对厚度（插板与圆管厚度比值）、插板平面与管轴线之间夹角对节点轴向承载力和延性的影响。试验结果表明：当插板相对厚度较小时（取值为0.89）,夹角基本不影响圆管斜插板节点的承载力;插板相对厚度较大时（取值为1.33）,随着夹角增大圆管斜插板节点的轴压承载力呈逐渐增大的趋势;随着插板相对厚度的增大,轴压承载力增大;薄插板（插板厚度为4 mm）节点试件的大多数测点保持弹性;而厚插板（插板厚度为6 mm）节点试件的大多数测点进入塑性状态;插板相对比较薄的情况下,IIW规范的计算值偏于不安全;插板相对较厚时,IIW规范计算结果偏于安全。