钢管混凝土K形节点应力集中系数计算方法

以钢管混凝土K形(CFST-K)节点为研究对象，进行了7个CFST-K形节点和1个钢管K形(ST-K)节点足尺模型试验和实体有限元分析；分析了现有CFST-K形节点应力集中系数的适用性；基于管内混凝土约束作用对CFST-K形节点变形形态的影响，提出了CFST K形节点应力集中系数的缓解系数，并采用理论分析方法推导得到考虑管内混凝土约束作用的CFST-K形节点应力集中系数计算方法。结果表明：CFST-K形节点的最大应力集中系数均出现在受拉支管与主管相贯焊缝靠近主管侧冠点位置；CFST-K形节点应力集中系数与壁厚比呈正相关关系，而径厚比与管径比对CFST-K形节点应力集中系数影响较小；CFST-K形和ST-K形节点最大应力集中系数分别为3.98和6.08，管内混凝土能使CFST-K形节点应力集中系数下降约34.5%。现有CFST-K形和ST-K形节点应力集中系数计算方法未能充分考虑管内混凝土约束作用对CFST-K形节点应力集中系数的影响，且未考虑几何参数之间的耦合关系，采用其进行CFST-K形节点应力集中系数计算时精度较低；所提出的考虑管内混凝土约束作用的CFST-K形节点应力集中系数计算方法可将计算误差由现有计算方法的58.0%降低至19.6%。     

复杂钢管空间节点应力集中系数研究

为了研究复杂钢管空间节点的应力集中系数,采用有限元软件ANSYS建立了复杂钢管空间节点有限元模型.有限元模型考虑了焊缝的影响,将有限元计算结果与试验结果进行比较,二者吻合较好,从而验证了有限元模型的可靠性.对复杂钢管空间节点模型进行了参数分析,研究了各个参数对节点应力集中系数的影响.参数分析结果表明,主管径厚比γ对节点应力集中系数的影响较大;其他参数对节点应力集中系数的影响较小.对252个参数分析模型的结果进行回归分析,建立了节点各部分应力集中系数的拟合公式.拟合公式计算值与有限元计算值吻合较好,验证了拟合公式的正确性.     

平面内弯矩下Y型主方支圆钢管节点热点应力集中系数

文中采用有限元方法对平面内弯矩作用下的Y型主方支圆钢管节点进行数值分析,建立152个不同几何参数的Y型主方支圆钢管节点有限元模型,在模型中精确考虑主管和支管间焊缝的复杂几何形状。基于有限元分析结果,计算节点热点应力及热点应力集中系数,通过与文献试验结果的对比验证了数值分析结果的可靠性。对主、支管间焊缝的热点应力集中系数分布进行分析,结果表明, 不同几何构型节点热点应力集中系数的分布形式基本相同,热点应力集中系数在?=0°（冠趾）、?=135°及?=180°（冠根）等关键位置达到最大值。讨论几何参数对关键位置热点应力集中系数的影响,并通过回归分析建立计算Y型主方支圆钢管节点关键位置热点应力集中系数的经验公式。经验公式结果与有限元分析结果吻合度较高,用经验公式计算Y型主方支圆钢管节点关键位置热点应力集中系数具有较高的准确性。     

节点板连接K型钢管节点的应力集中

通过对足尺模型试验数据和有限元模型计算数据的分析 ,利用应力集中系数的方法对使用节点板连接的K型钢管节点的局部应力进行了研究 ,并拟合了应力集中系数的计算公式。该公式可以直接应用于K型钢管节点的局部应力设计     

平面外弯矩下Y型主方支圆钢管节点热点应力集中系数研究

对平面外弯矩作用下Y型主方支圆钢管节点进行了数值分析。基于不同几何参数,采用有限元方法建立Y型主方支圆钢管节点模型。依据有限元分析结果,计算节点热点应力及热点应力集中系数,并与已有试验结果进行对比验证。通过分析主、支管间焊缝的热点应力集中系数分布,得出热点应力集中系数的分布形式受节点几何构型的影响较小,且热点应力集中系数一般在鞍点处达到最大值。基于几何参数对鞍点处热点应力集中系数影响的分析结果,由回归分析建立计算Y型主方支圆钢管节点鞍点处热点应力集中系数的经验公式,并通过与有限元分析结果的对比,验证了经验公式计算结果的正确性。     

K型钢管—板节点受力性能与承载力计算方法

钢管—板连接节点是钢管输电塔常用的节点型式,但目前对其受力性能的研究还不够深入,缺乏相应可供工程设计使用的计算分析方法。采用ANSYS程序建立了K型钢管—板连接节点的有限元模型,对Kim所进行的系列节点试验进行了模拟对比分析,验证了有限元模型的合理性;通过变参数分析考查了K型钢管—板节点受力性能和节点破坏模式,研究了几何参数、主管应力比、加劲构造等对节点极限承载力的影响规律。在此基础上,提出了考虑支管约束作用的K型钢管—板连接节点极限承载力的计算方法,并验证了其适用性。     

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。     

钢管混凝土桁架焊接节点热点应力集中系数研究

钢管混凝土桁架焊接节点构造复杂,焊缝区域应力集中程度高,是疲劳易损部位。根据钢管混凝土桁架2种主要节点构造形式——焊接管节点和管-板焊接节点,利用有限元软件ANSYS分别建立了K型相贯节点、管-板节点和扫把型节点空间模型,基于国际焊接协会(IIW)和挪威船级社(DNV)提出的热点应力计算方法,进行节点连接焊缝处热点应力的数值分析。分别讨论了主管受拉、支管在典型荷载作用下,焊接节点焊趾处的热点应力集中系数。结果表明:管节点热点剪应力幅很小,热点正应力集中系数较大;管-板节点应力集中程度低,最大热点应力集中出现在管-板节点的节点板端部;扫把型节点应力集中特性与管-板节点相似,但构造相对复杂。依照基于热点应力S-N曲线的疲劳性能评估方法,钢管混凝土桁架结构采用管-板节点时,具有较好的抗疲劳性能。     

空间KK型双弦杆圆钢管搭接节点有限元参数分析与极限承载力计算公式

空间KK型双弦杆圆钢管搭接节点以承载力高、搭接率小以及空间交汇杆件较少的优势应用于空间钢管桁架结构体系。本文采用ANSYS程序中8节点Solid45实体单元对平面和空间圆钢管搭接节点试件进行了非线性有限元分析。在破坏模式、变形过程以及节点极限承载力方面将有限元计算与已有试验结果进行比较,证明运用实体有限元分析法求解节点的极限承载力是一种有效的方法。有限元参数分析重点考察了几何参数和弦杆轴向应力对空间KK型双弦杆圆钢管搭接节点极限承载力的影响。在现有钢结构设计规范的基础上,通过对数值结果的回归分析,得到了该类搭接节点的极限承载力计算公式。研究结果表明:未加劲KK型双弦杆节点的极限承载力略低于未加劲K型单弦杆节点极限承载力,内加劲KK型双弦杆节点的极限承载力明显低于内加劲K型节点极限承载力;内加劲板对平面K型圆钢管搭接节点极限承载力可以起到很好的提高作用,但对空间KK型节点极限承载力提高并不明显。     

矩形钢管贯通式节点抗弯性能研究

本文研究矩形钢管贯通式节点的抗弯性能。进行了5组试件平面内和平面外的弯曲试验。通过试验数据和相应的有限元计算,分析了节点几何特征对传力机理和变形的影响。研究指出,管件在节点区的非直接过渡造成的传力路径弯折和应力集中,是造成贯通式节点弱刚度、低强度的主要原因;采用与钢管等壁厚的节点,将使节点屈服承载力低于相连管件的边缘屈服弯矩。本文指出基于弹性阶段刚度评价的节点分类与基于节点承载力极限状态的分类是有区别的。在大量有限元算例的基础上,回归出节点弹性弯曲刚度的计算公式,并提出了适用于一般计算软件的分段变刚度模型。实际工程算例表明,虽然对于某些以稳定控制设计的结构可以采用这类节点,但在结构非线性分析中,必须考虑节点有限刚度的影响。     

Parametric analysis and design equation of ultimate capacity for unstiffened overlapped CHS K-joints

A finite element model simulating an experiment on unstiffened, overlapped circular hollow structure (CHS) K-joints was generated and validated by comparing the ultimate capacities, deformation processes and failure modes of the experimental results. Using this model, the stress distribution, propagation of plasticity and the failure modes of overlapped joints with through-brace-in-compression and welded hidden seams were analyzed. The effect of geometric parameters, with or without hidden welds, and the loading hierarchy reversal of braces on the ultimate capacity of the joints were also studied. The results of finite element parametric analysis indicate that the brace-to-chord thickness ratio has relatively large effects on the failure mechanism and ultimate capacity of overlapped joints. It was also found that the absence of hidden welds has less significance on the ultimate capacity of through-brace-in-compression joints than through-brace-in tension joints. Finally, based on the design equation of gap joints, a formula predicting the ultimate capacity of overlapped CHS K-joints was derived by applying multivariate regression analysis. Results from the proposed design equation are consistent with experimental results.     

苏州国际博览中心屋盖结构分析和并联K形圆钢管相贯节点研究

本文介绍了苏州国际博览中心大跨变高度立体管桁架屋盖结构整体性能分析和并联K形圆钢管相贯节点的大比例试验及非线性有限元分析。分析表明以下弦双钢管为特征的倒梯形立体管桁架的动力特性非常理想;将部分支座改为可滑移支座能有效减小大面积屋盖的温度内力,同时也有利于减小结构的地震反应;考虑大跨结构P-δ效应,对桁架上下弦杆的影响较明显,对腹杆的影响相当小。并联K形圆钢管相贯节点试验和有限元分析结果表明这种节点在正常使用状态下带一定范围塑性区工作是安全的,且具有较高承载能力和较好的延性;其破坏模式不同于平面K形节点,连系支管能起到有效的约束作用并影响到主管壁上的应力分布和发展。研究成果为这种规范尚未涵盖的空间相贯节点的设计提供了可靠依据。     

钢管混凝土K形节点足尺模型疲劳性能试验

为研究钢管混凝土K形节点足尺模型疲劳性能,对其进行疲劳试验,并与钢管K形节点疲劳性能进行比较,通过对比分析得到钢管混凝土K形节点热点应力分布规律、疲劳性能演化和疲劳破坏形式,并探讨钢管混凝土K形节点疲劳寿命评价方法。结果表明：钢管混凝土K形节点与钢管K形节点最大热点应力的位置均位于受拉支管与主管相贯焊缝主管侧冠点处,钢管混凝土K形节点的应力集中系数约可降低至钢管K形节点的58%,且热点应力宜采用二次外推方式;两者疲劳性能演化过程均可分为疲劳裂纹萌生、扩展和破坏三个阶段,钢管混凝土K形节点在扩展和破坏阶段分别以沿主管壁厚方向和相贯焊缝长度方向扩展为主,与钢管K形节点主要扩展方向相反;两者疲劳裂纹均属于张开型Ⅰ裂纹,钢管混凝土K形节点疲劳裂纹断口沿壁厚方向呈“呲牙”状,且疲劳裂纹扩展路径较长。钢管混凝土K形节点抗疲劳性能明显优于钢管K形节点的最主要原因在于,管内混凝土的约束作用提高了钢管混凝土K形节点主管的径向刚度,钢管混凝土K形节点的压陷和外凸变形远小于钢管K形节点。基于一点法原则建立的钢管混凝土K形节点疲劳设计S-N曲线具有较高精度。     

Parametric analysis and design equation of ultimate capacity for unstiffened overlapped CHS K-joints

A finite element model simulating an experiment on unstiffened, overlapped circular hollow structure (CHS) K-joints was generated and validated by comparing the ultimate capacities, deformation processes and failure modes of the experimental results. Using this model, the stress distribution, propagation of plasticity and the failure modes of overlapped joints with through-brace-in-compression and welded hidden seams were analyzed. The effect of geometric parameters, with or without hidden welds, and the loading hierarchy reversal of braces on the ultimate capacity of the joints were also studied. The results of finite element parametric analysis indicate that the brace-to-chord thickness ratio has relatively large effects on the failure mechanism and ultimate capacity of overlapped joints. It was also found that the absence of hidden welds has less significance on the ultimate capacity of through-brace-in-compression joints than through-brace-in tension joints. Finally, based on the design equation of gap joints, a formula predicting the ultimate capacity of overlapped CHS K-joints was derived by applying multivariate regression analysis. Results from the proposed design equation are consistent with experimental results. __________ Translated from Journal of Building Structures, 2006, 27(4): 30–36 [译自: 建筑结构学报]     

平面K型圆钢管搭接节点有限元参数分析与极限承载力计算公式

以平面K型圆钢管搭接节点的试验数据为基础,从节点极限承载力、变形过程和破坏模式等方面对搭接节点的非线性有限元建模方法进行了校验。重点考察了贯通腹杆受压且内隐蔽部分焊接的搭接节点的应力分布、塑性区扩展和破坏模式,以及几何参数、腹杆搭接顺序变化、内隐蔽部分焊接与否对各类搭接节点性能的影响。有限元参数分析结果表明,腹弦杆壁厚比的变化对搭接节点的破坏模式和承载性能影响较大;内隐蔽部分未焊接对贯通腹杆受压的节点极限承载力影响很小,但对贯通腹杆受拉的节点极限承载力影响很大。最后,在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搭接节点的极限承载力计算公式;该公式与试验结果吻合良好,且具有较好的适用性。     

钢管结构K型相贯节点的静动态极限承载力

平面K型节点是钢管结构节点主要形式之一。对平面K型圆钢管搭接节点在静力荷载和冲击荷载作用下的弹塑性响应和极限承载力进行了非线性有限元分析。首次得到相贯节点的动力极限承载力,发现节点的动力极限承载力一般小于静力极限承载力。K型圆钢管搭接节点在静、动荷载作用下弹塑性力学特性有较大的区别,节点动力破坏主要发生在节点相贯处,规范计算公式给出的节点静力极限承载力是偏于保守的,所得计算结果和结论对实际工程有一定的应用价值。     

K型铸钢节点刚域研究

本文利用ANSYS对K型铸钢节点与钢管相贯节点在节点转动刚度上进行了对比,K型铸钢节点存在刚域,既不是铰接,也不是简单刚接,本文提出了一种计算K型铸钢节点刚域长度的方法。     

Effects of boundary conditions and chord stresses on static strength of thick-walled CHS K-joints

This paper presents results from a systematic investigation on the static strength of thick-walled circular hollow section (CHS) K-joints with various boundary constraints and chord axial stresses. The effects of boundary conditions appear to be critical if the boundary constraints alter the chord stress level. A K-joint with unconstrained brace ends is observed to indicate a rapid decrease in the post-peak joint strength. For a joint with members (brace and chord) of sufficient length, the member end fixities impose marginal effects on the joint strength. It is found that displacement-controlled loads on an isolated K-joint provide a realistic representation of the load distribution of a K-joint within a tubular frame. A definition in terms of maximum chord stress ratio for a new chord stress function for K-joints is found to minimize the scatter with respect to variations in the joint geometry.     

Degree of bending of concrete-filled rectangular hollow section K-joints under balanced-axial loadings

It has been found that the fatigue life of tubular joints is not only determined by the hot spot stress, but also by the stress distribution through the tube thickness represented as the degree of bending (DoB). Consequently, the DoB value should be determined to improve the accuracy of fatigue assessment for both stress-life curve and fracture mechanics methods. Currently, no DoB parametric formula is available for concrete-filled rectangular hollow section (CFRHS) K-joints, despite their wide use in bridge engineering. Therefore, a robust finite element (FE) analysis was carried out to calculate the DoB of CFRHS K-joints under balanced-axial loading. The FE model was developed and verified against a test result to ensure accuracy. A comprehensive parametric study including 190 models, was conducted to establish the relationships between the DoBs and four specific variables. Based on the numerical results, design equations to predict DoBs for CFRHS K-joints were proposed through multiple regression analysis. A reduction of 37.17% was discovered in the DoB, resulting in a decrease of 66.85% in the fatigue life. Inclusively, the CFRHS K-joints with same hot spot stresses, may have completely different fatigue lives due to the different DoBs.