焊接管节点结构形式发展及疲劳性能对比

为研究不同类型焊接管节点疲劳性能差异,梳理焊接管节点结构形式发展和构造创新,总结各类节点热点应力集中系数静力试验和疲劳试验成果,回归分析给出各类节点用于疲劳设计的热点应力幅-循环次数(S_h-N)曲线,并从热点应力幅曲线和热点应力集中系数两方面,对比各类节点疲劳性能差异。结果表明:对于S_h-N曲线,当钢管板厚t≤4 mm时,焊缝缺陷成为影响疲劳强度的主要因素,使得疲劳强度显著降低;现行规范中,CIDECT规范(Design guide No.8)的S_h-N曲线对各类节点设计均偏于危险,DNV-RP-C203的S_h-N曲线可适用于方形鸟嘴式钢管节点和钻石形鸟嘴式钢管节点疲劳设计,但对于其他节点设计偏危险;API RP 2A-WSD中的X’曲线的疲劳强度低于X曲线的,X’曲线适用于鸟嘴式节点和传统的圆形、矩形钢管节点及相应的主管内填混凝土节点设计,X曲线对任何节点设计均偏危险;在相同的几何参数β、2γ和τ(β、2γ、τ分别为支主管宽度比、主管宽厚比及支主管厚度比)下,各类节点的疲劳性能优劣顺序为,圆形钢管混凝土节点、圆形钢管节点、矩形钢管混凝土节点、矩形钢管节点;圆管-矩形钢管混凝土节点疲劳性能略优于矩形钢管节点的疲劳性能,圆管-矩形钢管节点疲劳性能劣于矩形钢管节点的疲劳性能;当β≤0.7时,建议采用方形鸟嘴式钢管节点和钻石形鸟嘴式钢管节点。     

基于热点应力法的钢管混凝土焊接节点疲劳构造细节比较

以钢管混凝土组合桁梁桥为研究对象,总结给出基于热点应力法的节点疲劳评估流程,并对其疲劳构造细节进行研究。结果表明:在矩形空管等宽节点基础上,主管内填混凝土使得节点支、主管表面最大热点应力幅分别降低10.86%和26.51%,节点疲劳寿命提高3.78倍; 在圆形空管节点基础上,主管内填混凝土使得节点支、主管表面最大热点应力幅分别降低13.88%和16.39%,节点疲劳寿命提高2.11倍; 在主方支圆空管节点基础上,主管内填混凝土使得节点支、主管表面最大热点应力幅分别降低20.06%和29.81%,节点疲劳寿命提高1.92倍; 此外,对于矩形钢管混凝土节点,先后在主管内壁设置PBL加劲肋和腹板采用整体节点板,支管表面最大热点应力幅分别继续下降12.11%和29.20%,主管表面最大热点应力幅分别继续下降8.81%和15.64%,由此可知,改变矩形空管节点的构造细节,可以使焊趾处的应力分布趋于均匀,疲劳寿命得到显著提高; 同时,在确保各类节点几何尺寸基本相当的前提下,研究得到各类节点疲劳性能优劣次序为PBL加劲型矩形钢管混凝土焊接整体节点、PBL加劲型矩形钢管混凝土等宽节点、矩形钢管混凝土等宽节点、矩形空管等宽节点、圆形钢管混凝土节点、圆形空管节点、主方支圆钢管混凝土节点、主方支圆空管节点。     

PBL加劲型矩形钢管混凝土不等宽T型节点应力集中系数分析

为研究开孔钢板连接件（PBL）加劲型矩形钢管混凝土T型节点的疲劳性能,进行了T型节点支管受拉、面内受弯及面外受弯的应力集中系数分析。基于矩形钢管混凝土T型节点受拉试验,设计了主管为矩形钢管、矩形钢管混凝土和PBL加劲型矩形钢管混凝土,支管为方钢管的T型节点受拉试件,并采用ABAQUS软件对其进行非线性有限元分析,其中主管钢管宽厚比为27,支主管宽度比为0.4。通过非线性有限元数值模拟,分析热点可能出现位置,并采用二次外推法计算得到支主管的应力集中系数。结果表明:PBL加劲型矩形钢管混凝土节点热点出现位置与矩形钢管节点和矩形钢管混凝土节点一致;与矩形钢管混凝土节点相比,PBL加劲型矩形钢管混凝土节点的应力集中系数显著降低,抗疲劳性能明显提高。     

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。     

PBL加劲型矩形钢管混凝土支管受拉节点有效分布宽度

为研究PBL加劲型矩形钢管混凝土支管受拉节点应力分布规律及其有效分布宽度,采用ABAQUS软件建立42个矩形空钢管、钢管混凝土及PBL加劲型矩形钢管混凝土节点有限元模型并进行位移加载;根据有限元计算结果拟合得到矩形空钢管、钢管混凝土及PBL加劲型矩形钢管混凝土节点的有效分布宽度表达式,将拟合公式计算值与CIDECT规范计算值和有限元计算值进行对比。结果表明:在节点受力全过程中,PBL加劲型矩形钢管混凝土节点相对于矩形空钢管节点和钢管混凝土节点的应力分布不均匀性减小;当加载位移达到3%b₀（b₀为主管宽度）时,PBL加劲型节点的有效分布宽度更大,具有更好的受力性能,支板应力分布效率ξ随主管宽厚比2γ与支主管厚度比τ的增大而减小,其中τ对ξ的影响更大;支板应力分布效率ξ随支主管宽度比β变化较小,且呈抛物线变化;拟合公式计算值与CIDECT规范计算值及有限元计算值吻合良好,验证了公式的正确性     

钻石鸟嘴式方管T形节点热点应力集中系数分析

钻石鸟嘴式节点是桁架式方管结构中一种新的焊接节点型式,本文基于疲劳性能研究的需要,应用有限元方法,分别分析了在支管受轴力和平面弯矩作用下这种T形节点的热点应力集中系数SCF,考察了节点无量纲几何参数β,2γ,τ对SCF的影响效应,并将这种新型节点的SCF与传统方管节点的SCF进行了比较.分析表明钻石鸟嘴式节点在支管轴力作用下,支管和主管的热点应力位置都出现在鞍点;在支管平面弯矩作用下,支管和主管的热点应力位置都出现在冠点;钻石鸟嘴式节点的热点应力集中系数显著低于传统方管节点,意味着前者比后者具有更好的疲劳强度.     

矩形钢管混凝土桁架节点应力集中特性试验研究

为研究矩形钢管混凝土桁梁桥节点的疲劳性能,开展两榀矩形钢管混凝土组合桁架节段三点弯曲试验,对试件中的K形节点应力集中系数进行测试和分析,同时,基于试验结果,对既有K形节点应力集中系数计算公式的适用性进行分析。结果表明：相比普通钢筋混凝土桥面板和传统剪力钉的构造措施,采用预应力混凝土桥面板和局部释放剪切作用的剪力钉可提高混凝土桥面板开裂荷载,但是对于桁梁承载力基本没影响;两榀矩形钢管混凝土组合桁架节点腹杆表面热点应力水平基本相当,最大值均发生在受拉腹杆焊趾侧处,由于桥面板和剪力钉构造区别,两榀矩形钢管混凝土组合桁架节点弦杆表面热点应力值不同,最大值分别发生在受拉腹杆焊趾侧处;既有K形节点应力集中系数参数计算公式适用性分析表明,Mang等建议公式计算结果偏危险,Soh等建议公式和CIDECT建议公式计算结果偏保守,Puthli等建议公式计算得到的受拉腹杆最大应力集中系数偏保守,计算得到的受压腹杆和弦杆应力集中系数偏危险,Jiang等所提建议公式计算结果与试验结果吻合最好。     

鸟嘴式K形间隙节点应力集中系数参数化建模与分析北大核心

鸟嘴式节点是一种新型的焊接方钢管节点,由于其构造上的独特性,以热点应力为目标的参数化建模分析过程较为复杂。针对常见的K形节点形式,以鸟嘴式K形间隙节点的四个无量纲参数为主要变量,建立了一套可靠高效的参数化建模方法。有限元建模基于ANSYS参数化设计语言(APDL),充分考虑鸟嘴式K形间隙节点鞍部和冠部区域的几何特征,同时准确模拟角焊缝几何尺寸的影响,实现了焊趾热点应力的精细化分析和自动化提取。另外,参照国际焊接协会疲劳设计指南建议的热点应力确定方法,在焊趾外侧设立热点外推区,并对其进行网格二次划分,以满足热点应力外推计算的需求。通过与已有试验数据对比,验证了有限元模型的准确性。在此基础上开展参数化分析,发现了鸟嘴式K形间隙节点应力集中系数(SCF)随无量纲参数的变化规律。并通过数值拟合提出了相应的SCF计算公式,可用于此类新型节点的抗疲劳设计和疲劳性能评估。     

支管在轴向荷载作用下Q460C高强钢T型圆管节点疲劳性能试验研究

对8个支管承受轴向荷载的Q460C高强钢T型圆管相贯节点分别进行热点应力试验和疲劳试验研究,将热点应力试验结果与现有热点应力集中系数计算公式进行对比验证分析,通过疲劳性能试验观察疲劳裂纹的发展过程和疲劳破坏模式,并对比分析了CIDECT和DNV疲劳设计规范中圆管节点疲劳S-N曲线对于高强钢管节点的适用性。研究表明,疲劳裂缝首先出现在67.5°到90°附近应力集中较大的区域（鞍点附近）,然后迅速沿着相贯线向冠点处发展,并在裂缝末端产生沿主管轴向的横向裂缝。通过试验结果与已有规范的对比分析表明,CIDECT建议的S-N曲线应用于支管承受轴向荷载的Q460C高强钢圆管节点的疲劳寿命预估在某些情况下是偏于不安全的,而DNV规范的计算值过于保守,因此同样也不适合于Q460C高强钢圆管节点的疲劳性能分析。     

鸟嘴式K形方管节点疲劳性能试验研究

为研究鸟嘴式K形方管节点的疲劳性能,设计制作8个节点试件开展支管面内受荷工况下的疲劳试验。首先对试件进行静力加载,通过二次外推法得到焊趾处的热点应力值和应力集中系数(SCF),探明此类节点的热点应力分布规律和敏感热点位置。在此基础上开展高周常幅疲劳荷载试验,重点研究节点的疲劳破坏模式、裂纹扩展规律、刚度退化性能以及特征疲劳寿命等。结果表明：方型鸟嘴式K形搭接节点的最大SCF位于支管搭接区,其他节点的最大SCF均位于冠部支管热点;疲劳裂纹萌生于SCF最大值位置,并在萌生后较短时间内扩展贯穿壁厚;疲劳裂纹贯穿壁厚之后的节点刚度退化明显,但累计刚度退化在10%以内;IIW和API规范的S N曲线可用于常规壁厚的鸟嘴式节点疲劳寿命预测,其对薄壁鸟嘴式节点的适用性还有待验证。     

PBL加劲型矩形钢管混凝土桁架受弯性能试验

通过3片开孔钢板（PBL）加劲型矩形钢管混凝土桁架和1片矩形钢管混凝土桁架受弯性能试验,研究主管内设PBL及节点支主管宽度比β对桁架破坏模式、支主管应变变化和极限承载力的影响,对桁架竖向挠度限值进行分析,并探讨节点变形对桁架整体变形的影响。结果表明:矩形钢管混凝土桁架和PBL加劲型矩形钢管混凝土桁架均发生节点破坏,主管内设PBL改变了管内混凝土的开裂模式,有效限制了混凝土裂缝发展,使钢管与混凝土更好地协同受力;矩形钢管混凝土桁架和β分别为0.5,0.75,0.875的PBL加劲型矩形钢管混凝土桁架的节点变形占桁架整体变形比例分别为33.43%,24.44%,23.69%和21.44%,PBL有效限制受拉支管处主管的外凸变形,使节点变形占桁架整体变形比例减小,提高节点承载力,但对受压支管处主管变形基本无影响;对于矩形钢管混凝土和PBL加劲型矩形钢管混凝土组合桁梁桥竖向挠度限值可参考《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015）取为桁架全长的1/500。     

Square hollow section (SHS) T-joints with concrete-filled chords subjected to in-plane fatigue loading in the brace

In recent years, there has been an increased use of concrete-filled composite tubular joints in bridge construction. The reliability of these joints under fatigue therefore need to be investigated to avoid any catastrophic failures. In this paper, hollow section T-joints made up of square hollow section (SHS) chords and braces are investigated. The chords of the SHS–SHS T-joints were concrete-filled thereby forming welded composite tubular T-joints. The SHS–SHS T-joints with concrete-filled chords were strain gauged and tested under static loading to determine stress concentration factors (SCFs) at hot spot locations, where cracks are likely to propagate. Fatigue tests of the welded composite joints were also carried out under cyclic in-plane bending in the brace to obtain stress range vs. number of cycles (S–N) data. The maximum stress concentration factor (SCF) at hot spot locations in a welded composite tubular T-joint was found to be generally lower than the maximum SCF in an empty (or called unfilled) hollow section SHS–SHS T-joint. Fatigue failure in welded composite tubular T-joints occurred through the initiation and propagation of cracks at weld toes in either the chord or brace member, with the majority of tests exhibiting the first visual crack at weld toes in the chord. The welded composite tubular T-joints were found to have better fatigue strength compared to the empty hollow section SHS–SHS T-joints. Design rules are recommended for the SHS–SHS T-joints with concrete-filled chords through analysis of fatigue test data using the hot spot stress method.     

复式钢管混凝土偏压柱试验

通过对9个不同尺寸和壁厚的内圆外方的复式钢管混凝土柱试件(其中内(圆)增强方钢管混凝土试件6个,方中空夹层钢管混凝土试件3个),进行偏压试验得到极限承载力和荷载-变形曲线。试验表明,对内(圆)增强方钢管混凝土,内置圆钢管的存在能够对偏压方钢管内核心混凝土起增强作用,且这种增强作用随着圆管管径的增大愈加明显;对于方中空夹层复式钢管混凝土偏压短柱,随着圆钢管管径的增加,其承载力降低的程度愈大。     

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。     

圆管截面桁梁极限承载力试验研究

进行了上弦杆为钢管混凝土、上下弦杆均为钢管混凝土的桁梁试件和空钢管桁梁试件的对比试验研究。研究结果表明,弦杆钢管内填充混凝土可提高弦杆的抗压、抗弯和径向刚度,改变节点失效模式,提高节点强度和刚度;弦杆为钢管混凝土的桁梁试件与空钢管桁梁试件一样,结构破坏均是因节点失效引起的;由于弦杆管内填充混凝土提高了节点的强度和刚度,不仅受压的上弦杆而且受拉的下弦杆管内填充混凝土,都会提高圆管截面桁梁试件的整体承载力。最后对管节点的承载力和桁梁试件整体承载力进行了讨论。     

Mechanical behavior of concrete filled double skin steel tubular columns under cyclic pure torsion

为研究中空夹层钢管混凝土柱在扭矩作用下的滞回性能,以截面形式和空心率为主要参数,开展了4个中空夹层钢管混凝土柱试件在扭矩作用下的拟静力试验,得到了中空夹层钢管混凝土柱在往复扭矩作用下的破坏模式和扭矩-转角关系曲线。试验结果表明：中空夹层钢管混凝土柱在往复扭矩作用下的扭矩-转角滞回曲线较为饱满,没有出现“捏拢”现象,卸载刚度与初始弹性刚度接近,具有较好的耗能能力。往复扭矩作用下,圆形截面中空夹层钢管混凝土柱的扭转性能较方形截面中空夹层钢管混凝土柱更优。在截面外轮廓形状和尺寸相同的条件下,空心率对中空夹层钢管混凝土柱在往复扭矩作用下扭转性能的影响不大。