单项受力状态下矩形钢管相贯节点的承载力研究

国家游泳中心采取了特殊的结构型式,使其矩形钢管相贯节点,除双平面的几何特性外,同时承受轴力和不可忽视的双向弯矩。本文的目的是研究不同型式的矩形钢管相贯节点在单项受力状态下———腹杆分别承受轴力、平面内弯矩、平面外弯矩时的承载力计算公式;节点型式主要包括T、TT、K、KT等4种单平面和多平面节点类型。以直角T型节点的单项承载力研究为基础,通过大量的有限元计算,并对计算结果进行回归分析得出节点承载力计算公式。本文还对各类节点的失效形态进行了分析。     

钢管混凝土T形相贯节点应力集中系数研究

通过对钢管混凝土T形相贯节点的试验和有限元分析,研究了在轴向荷载和平面内弯矩作用下节点的应力集中系数。结果表明：轴向荷载作用下钢管相贯节点的应力集中系数分布不均匀,而钢管混凝土相贯节点分布较均匀,主管内填混凝土有效降低了相贯节点的应力集中系数,同时也将热点的位置由鞍点变为冠点;平面内弯矩作用下钢管相贯节点主管的应力集中系数分布不均匀,而钢管混凝土相贯节点主管分布较均匀,主管内填混凝土有效降低了主管的应力集中系数,两者支管相差不大;主管轴力对节点的应力集中系数影响较大,进行轴向压力和平面内弯矩作用下节点的应力集中系数计算时,应考虑到主管轴压比的影响;现行规范对于钢管相贯节点应力集中系数的计算公式并不适用于钢管混凝土相贯节点。基于强度等效的原则,提出了改进的应力集中系数计算公式,计算结果和试验结果吻合较好。     

方钢管焊接空心球节点的承载力与实用计算方法研究

国家游泳中心“水立方”采用了一种新型的多面体空间刚架结构,杆件形式包括圆钢管、方钢管和矩形钢管,节点则主要采用焊接空心球节点。本文系统研究在轴力、弯矩及两者共同作用下方钢管焊接空心球节点的受力性能与承载能力。建立了采用理想弹塑性应力-应变关系、Mises屈服准则,同时考虑几何非线性的有限元分析模型,并对承受轴力、弯矩及两者共同作用的方钢管焊接球节点进行了大量的有限元参数分析。对轴力和弯矩共同作用的焊接球节点,其轴力-弯矩相关关系与节点的几何参数(包括空心球的球径、壁厚及钢管边长)无关。对若干典型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正确性。还推导了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。最后,综合简化理论解、有限元分析和试验研究的结果,建立了轴力、弯矩及两者共同作用下方钢管焊接球节点承载力的实用计算公式,其中,对轴力和弯矩共同作     

X型足尺相贯节点极限承载力试验研究

通过对X型相贯节点支管在轴压力、平面内弯矩、平面外弯矩共同作用下的极限承载力的试验研究,对节点加载过程中应力发展过程及位移变化进行分析。结果表明:通过对支管施加偏心荷载能够有效地模拟节点承受轴力、平面内弯矩、平面外弯矩的共同作用。节点区主管的局部屈曲是X型相贯节点的破坏模式。节点区主管部分区域在材料达到屈服强度前,应变已经呈现明显非线性。采用Eurocode 3中X型节点的承载力验算公式对支管承受轴力、平面内弯矩、平面外弯矩共同作用的X型相贯节点进行验算是可行的,验算表明节点是安全且偏保守的。     

圆钢管相贯焊节点计算的国内外规范比较

在GB 50017—2003《钢结构设计规范》中,关于空间多平面圆钢管相贯节点承载力计算,只能考虑轴力,不考虑腹杆弯矩对节点承载力的影响。在《空心管结构连接设计指南》中单平面圆钢管相贯节点在复合受力状态下的承载力计算公式,主要是参照Eurocode 3。通过对两种规范关于圆钢管相贯焊节点计算公式归纳和对比可知,Eurocode 3相贯节点承载力公式相对于目前GB 50017—2003计算公式来说是偏安全的。基于此,对武汉站圆钢管相贯节点依照Eurocode 3拆分为若干单平面节点,再分别对单平面节点进行校核和演算。利用有限元软件ANSYS建立钢管相贯节点实体模型,进行非线性分析。模拟计算结果表明,该相贯节点设计满足要求。     

复合受力状态下矩形钢管相贯节点的试验研究

本试验研究工作的主要目的是掌握特定节点型式在特定外力条件下的工作性态,并与有限元计算结果进行对比,检验其正确性,为理论公式提供试验佐证。共选择了4个不同型式的节点,分别为K、KT、T、TT型。本文较详细地介绍了在复合受力状态下———同时承受腹杆轴力及弯矩时,4个矩形钢管相贯节点模型试验的过程,包括针对特殊受力形式的试验装置及加载装置的设计、测点布置、加载方案等。对于模型的应力发展过程及试验结果,也逐一进行了分析。试验结果表明,有限元计算的可靠性是有保证的;节点的型式不同,其形态破坏也不同;与节点连接的腹杆愈多且不处于同一平面上,则节点受力愈不利;应特别注意受拉焊缝的质量控制。     

平面外弯矩作用下加劲肋加强T形方钢管相贯节点极限承载力研究

方钢管T形相贯节点承受平面外弯矩作用是与其它工况一样重要的一种工况,但目前规范中对这种受力模式下的加劲肋加强节点承载力计算公式没有规定,这影响着工程设计的效率与质量。在经试验验证有限元分析准确性的前提下,进行参数化分析和回归分析。结果表明:加劲肋加强节点的极限承载力是无加强节点的2.6倍,承载力提高系数ψ随加劲肋与主管厚度比τ、加劲肋与主管宽度比η的增加而增加,其中参数η的影响更大,提高系数ψ随β增加而减小。在无加劲肋方钢管相贯T形节点平面外受弯承载力计算公式的基础上,通过参数化分析得出有加劲肋时方钢管T形节点平面外弯矩作用下极限承载力计算公式,为这类节点的继续研究和工程应用提供了参考。     

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。     

方钢管相贯节点转动刚度研究

采用非线性有限元软件ANSYS(6.1)对方钢管Y型相贯节点在平面内弯矩作用下的转动刚度进行数值分析,分析了影响方钢管相贯节点弹性转动刚度的主要影响因素,并采用回归分析得出了方钢管Y型相贯节点在平面内弯矩作用下弹性转动刚度的计算公式.     

加强T形方管节点的极限承载力研究

国家游泳中心的方管相贯焊接节点,除承受轴力外,还同时承受不可忽视的双向弯矩。通过有限元软件ANSYS对加强T形方管节点在复合受力作用下的极限承载力进行了数值模拟分析,采用的加强方式为在主管内部设置横向和纵向加劲肋。研究结果表明,3种加强方式对于T形节点的极限承载力都有不同程度的提高,且提高幅度与几何参数有关。     

轴力与双向弯矩作用下方钢管焊接球节点的承载力与实用计算方法研究

国家游泳中心“水立方”结构中采用了连接方钢管、且承受轴力与弯矩共同作用的焊接空心球节点。文献[1]系统研究了方钢管焊接球节点在轴力与单向弯矩作用下的承载能力并建立了实用计算方法。本文进一步对轴力与双向弯矩作用下的这类节点进行深入研究。对轴力与双向等弯矩共同作用的节点,通过有限元分析、试验研究以及简化理论解三条途径,系统研究其受力性能,并提出节点承载力的实用计算方法。而对双向任意弯矩作用的情况,提出了对单向弯矩及双向等弯矩两种情况进行线性插值的简化计算方法。     

带内隔板的方钢管混凝土柱-钢梁节点设计研究

本文根据试验和理论研究结果,对用于高层建筑的带内隔板的方钢管混凝土柱-钢梁刚性节点的受力和变形特征进行了分析研究。结合《矩形钢管混凝土结构技术规程》(CECS 159∶2004)的设计规定,首先对方钢管混凝土柱-钢梁节点的梁-柱连接,给出了不同抗震设防要求时的受弯、受剪计算公式及建议;其次通过对节点核心区受力机理的分析,建立了钢“框架-剪力墙”加混凝土“斜压短柱”的受力模型及其屈服机制,根据塑性极限分析,给出了节点核心区受剪承载力计算的叠加公式,并与“规程”公式和非线性有限元近似模拟分析结果进行了比较。本文提出的节点核心区受剪承载力计算公式,能够反映出轴压比的影响,其计算结果安全合理,可供实际工程设计参考。     

Experimental investigation and design of round ended elliptical steel tubular T-joints under axial compression

圆端形椭圆钢管是一种融合圆形和矩形截面特征优势的构件，其圆端部分可以提供良好约束，矩形部分可实现快捷连接，在桁架结构中有着良好的应用前景，然而目前尚缺乏有关圆端形椭圆钢管相贯节点的受力性能研究。为此，通过对13根圆端形椭圆钢管T形相贯节点开展轴压性能试验，研究相贯类型、主支管径比、主支管夹角和是否填充混凝土等对其破坏模式、承载力、初始刚度和延性等力学性能的影响，明确圆端形椭圆钢管T形相贯节点在支管受压作用下相较圆形或矩形钢管相贯节点的承载特征差异，揭示相贯节点的受力机理，提出圆端形椭圆钢管相贯节点的轴压承载力计算式。研究结果表明，圆端形椭圆钢管T形相贯节点表现出良好的轴压性能；支管与主管圆弧段连接的相贯节点轴压承载力分别为圆形或矩形钢管相贯节点的1.07~1.66倍，具有明显的承载优势；主管填充混凝土可使圆端形椭圆钢管T形相贯节点的轴压承载力和初始刚度分别提高75.5%~103.4%和11.9%~60.6%；通过试验结果验证，提出的轴压承载力计算式可较准确地评估圆端形椭圆钢管T形相贯节点的轴压承载力。     

圆端形椭圆钢管T形相贯节点轴压性能试验研究与承载力计算

圆端形椭圆钢管是一种融合圆形和矩形截面特征优势的构件,其圆端部分可以提供良好约束,矩形部分可实现快捷连接,在桁架结构中有着良好的应用前景,然而目前尚缺乏有关圆端形椭圆钢管相贯节点的受力性能研究。为此,通过对13根圆端形椭圆钢管T形相贯节点开展轴压性能试验,研究相贯类型、主支管径比、主支管夹角和是否填充混凝土等对其破坏模式、承载力、初始刚度和延性等力学性能的影响,明确圆端形椭圆钢管T形相贯节点在支管受压作用下相较圆形或矩形钢管相贯节点的承载特征差异,揭示相贯节点的受力机理,提出圆端形椭圆钢管相贯节点的轴压承载力计算式。研究结果表明,圆端形椭圆钢管T形相贯节点表现出良好的轴压性能;支管与主管圆弧段连接的相贯节点轴压承载力分别为圆形或矩形钢管相贯节点的1.07~1.66倍,具有明显的承载优势;主管填充混凝土可使圆端形椭圆钢管T形相贯节点的轴压承载力和初始刚度分别提高75.5%~103.4%和11.9%~60.6%;通过试验结果验证,提出的轴压承载力计算式可较准确地评估圆端形椭圆钢管T形相贯节点的轴压承载力。     

弯矩作用下不等宽T形方管节点的塑性铰线分析

本文在Murray模型的基础上,采用VonMises屈服准则,推导了在轴向压力影响下的倾斜塑性铰线承载力公式。建立了在弦杆轴向压力影响下,直接焊接不等宽T形方管节点抗弯的塑性铰线模型。得出的节点承载力公式与CIDECT、Kon-ing建议的公式、非线性有限元计算结果及实验结果吻合较好,从而在理论上完善了不等宽T形方管节点的抗弯塑性铰线模型。     

Experimental behaviour of stiffened concrete-filled thin-walled hollow steel structural (HSS) stub columns

Test results on concrete-filled steel tubular stub columns with inner or outer welded longitudinal stiffeners under axial compression are presented in this paper. The research was mainly focused on square hollow section (SHS) columns; two rectangular hollow section (RHS) columns were also tested. A longitudinal stiffener was provided on each side of the stiffened SHS column, while only two stiffeners were welded to the longer sides of the stiffened RHS column. The main experimental parameters considered were the height-to-thickness ratio and stiffener rigidity. In addition, empty tubes with or without stiffeners, as well as unstiffened concrete-filled steel tubes were also tested for comparison. Requirements for stiffener rigidity are developed by modifying a formula presented in the literature. Existing theoretical model and design codes were used to predict the load versus axial strain relationships and load-carrying capacities of the adequately stiffened composite sections respectively; reasonable results were achieved.