X型厚壁圆管相贯节点平面外受弯抗震性能试验研究

采用相贯节点的圆钢管结构广泛应用于大跨度网格结构中,对于具有一定抗弯刚度的连接,节点将受到弯矩作用。介绍了两个不同几何参数的X型厚壁圆钢管相贯节点试件的平面外受弯滞回性能试验,结合数值分析,对节点承载能力和变形能力进行了研究。结果表明:在合理的几何参数和焊缝质量保证下,厚壁圆钢管相贯节点平面外受弯的承载力较高;厚壁圆钢管相贯节点在支主管径比β较大时节点易发生主管壁拉剪断裂破坏;在支主管径比β较大时延性等抗震性能较好,β较小时延性等抗震性能较差。     

冷弯薄壁方钢管梁柱节点抗震性能试验及有限元研究

对12个冷弯薄壁型钢方钢管梁柱焊接节点进行了低周往复加载试验及非线性有限元数值模拟分析,有限元分析中考虑双重非线性、初始几何缺陷及焊材的本构模型等因素的影响。将循环荷载下数值计算结果与试验结果进行对比,讨论了试件滞回曲线、极限承载力、节点域应力分布等方面的内容。分析结果表明:(1)数值模拟与试验结果较为接近,极限荷载及极限位移差值在10%以内,所采用的数值分析模型和数值方法可进行冷弯薄壁型钢梁柱节点的参数化分析。(2)改进后的加腋节点极限承载力比常规节点高,极限状态时梁端位移较小;节点的滞回曲线饱满,耗能能力较强。(3)分散焊缝改进型节点破坏前经过循环次数较多,耗能能力较强。(4)轴压比对滞回性能及节点域应力分布有一定影响。     

冷弯薄壁方钢管梁柱焊接节点抗震性能分析

对8个冷弯薄壁型钢方钢管梁柱焊接节点进行低周往复加载试验及非线性有限元数值模拟分析,将循环荷载下节点的数值计算结果与试验结果进行对比分析讨论,结果表明数值模拟能够较好地反映试验结果,所采用的数值建模方法可以进行冷弯薄壁型钢梁柱节点的参数化分析。通过对两类梁柱节点不同参数下抗震性能的分析,所得结果表明:(1)对于GJD系列节点,随着加腋高度、长度、厚度三个参数的减小,节点的滞回曲线变得饱满,耗能能力增强,同时承载力没有明显的下降段,三个参数增大时,滞回曲线变化不大,但承载力提前进入下降段,延性降低;(2)加腋高度和厚度减小时,GJD系列节点的极限承载力以及初始刚度明显降低,但节点的延性增加明显;(3)对于XJD系列节点,增大钢管柱壁厚、C型钢梁厚度,以及减小C型钢梁高度、C型钢梁与方钢管相对位置时,滞回曲线变得饱满,耗能能力增强,并且承载力增大。     

三种构造型式的箱形截面梁与圆管连接节点受弯性能

上海光源工程采用圆钢管相贯而成的单层网壳结构,网壳结构的边界搭接在箱形截面主梁上形成了箱形主梁与圆钢管焊接连接节点。为研究该连接节点的平面外受弯性能,进行了3个不同构造型式的连接节点试件平面外受弯的滞回性能试验,考察了节点的受力性能和破坏模式。结果表明,3种节点破坏模式均为支管(贯通式连接管)根部塑性变形过大或局部屈曲破坏,其平面外受弯的承载力都能满足节点承载力高于构件承载力的要求,都具有良好的抗震性能。有限元软件ABAQUS的非线性分析表明,在接近破坏时,箱形主梁内部加劲部件的塑性化程度以贯通管式连接最为严重;套管式连接节点中槽形塞焊焊缝的作用在于将内力逐渐从构件传递到节点域,使得节点受力性能更加合理。     

冷弯薄壁型钢C型构件压弯屈曲机理与滞回模型研究

对冷弯薄壁型钢C型构件进行竖向常轴力作用与水平循环荷载同时作用下的加载试验,以探索冷弯薄壁型钢C型构件滞回性能特点以及轴压比、截面宽厚比等参数对试件破坏行为的影响。基于截面应力分布规律和薄板屈曲理论,提出格构机理模型,试验和数值模拟结果验证了该模型的合理性;采用数值模拟方法,分析薄壁构件压弯屈曲机理,获得薄壁C型构件滞回曲线特征,总结影响其滞回性能的关键影响参数。研究表明:大轴压比对试件滞回性能有极大的削弱作用;过早出现的局部屈曲是薄壁C型构件破坏的关键原因;提出的滞回模型能够体现局部屈曲对构件滞回性能的影响。     

古建筑木结构透榫节点力学模型研究

为研究古建筑木结构透榫节点的M-θ力学模型，在分析透榫节点构造特征与受力机理的基础上，建立其数值模型，用透榫节点的试验数据验证了该数值模型的正确性，并分析了节点缝隙、木材横纹弹性模量和大榫头长度对透榫节点受弯承载力的影响。根据受力分析结果，建立以弹性点、屈服点与极限点为特征点的三折线多参数M-θ力学模型，其结果与多数的试验结果基本吻合，并将该力学模型应用于木构架的受力分析。研究结果表明：透榫节点的滞回耗能能力强，节点的变形主要集中在榫头处。当榫头与卯口之间的缝隙增大时，节点的受弯承载力降低。随木材横纹弹性模量的提高和大榫头长度的增加，节点的受弯承载力有一定提高。文章建立的M-θ力学模型能较好反映透榫节点的受力过程，适用于木构架的受力分析，其荷载 位移骨架曲线与试验结果基本吻合。研究成果可为古建筑木结构的维修与保护提供参考。     

大直径弦管KK形相贯节点滞回性能的数值模拟

运用数值模拟方法,对空间KK形圆钢管相贯节点的滞回性能进行分析,分析了支管和弦管外径比、弦管径厚比、支管和弦管厚度比、支管与弦管夹角等参数的影响。结果发现,支管和弦管直径比越大,节点的滞回性能越好;增大弦管径厚比和支弦管轴线间夹角,节点的滞回性能反而降低。节点的滞回性能受支弦管厚度比的变化影响不大。     

铝合金板式节点平面外受弯滞回性能试验研究

为研究节点板厚度、节点板材质、是否设置抗剪键以及加载模式对铝合金板式节点滞回性能的影响,完成了4组共计8个试件平面外受弯的拟静力试验,对其变形特征、破坏模式、承载能力、延性以及耗能能力等进行了分析。结果表明:板式节点在平面外往复弯矩作用下的受力过程可以分为5个阶段,即弹性阶段、螺栓滑移阶段、孔壁承压阶段、承载力退化阶段和破坏阶段;通过破坏后试件的形态特征可归纳出节点的两种破坏模式分别为杆件破坏和节点板块状拉剪破坏,且破坏模式与节点板厚度和杆件翼缘厚度密切相关;由于螺栓滑移的影响,节点的滞回曲线不够饱满;综合对比试件的骨架曲线、位移延性系数和能量耗散系数,节点板较厚的铝合金板式节点具有更好的承载能力、变形能力和耗能能力。     

铝合金板式节点平面外受弯滞回性能试验研究

为研究节点板厚度、节点板材质、是否设置抗剪键以及加载模式对铝合金板式节点滞回性能的影响,完成了4组共计8个试件平面外受弯的拟静力试验,对其变形特征、破坏模式、承载能力、延性以及耗能能力等进行了分析。结果表明：板式节点在平面外往复弯矩作用下的受力过程可以分为5个阶段,即弹性阶段、螺栓滑移阶段、孔壁承压阶段、承载力退化阶段和破坏阶段;通过破坏后试件的形态特征可归纳出节点的两种破坏模式分别为杆件破坏和节点板块状拉剪破坏,且破坏模式与节点板厚度和杆件翼缘厚度密切相关;由于螺栓滑移的影响,节点的滞回曲线不够饱满;综合对比试件的骨架曲线、位移延性系数和能量耗散系数,节点板较厚的铝合金板式节点具有更好的承载能力、变形能力和耗能能力。     

装配式钢筋混凝土拱桥立柱节点抗震性能研究

对装配式钢筋混凝土拱桥立柱节点作低周反复加载数值模拟,进行了立柱节点足尺试验模型的拟静力试验,得出了模型在不同加载制度下加载点处的荷载与位移,进一步得到了滞回曲线、骨架曲线、能量耗散系数以及耗能滞回面积。经过对比数值模拟结果与拟静力试验数据,发现拟静力试验和数值模拟结果差距在15%以内,试验所得滞回曲线有强度退化的现象,数值模拟得到的滞回曲线相比试验得到的滞回曲线较饱满,具有较高承载力及一定的耗能能力。通过数值模拟与拟静力试验探究了立柱节点的破坏机制,从强度、变形和能量3个方面判断和鉴别出了结构的抗震性能,从而确定了装配式钢筋混凝土拱桥立柱节点的抗震指标和模型参数。     

Stress concentration factors of cold-formed stainless steel tubular X-joints

This paper describes experimental and numerical investigations on stress concentration factors (SCFs) of cold-formed stainless steel square and rectangular hollow section (SHS and RHS) tubular X-joints. Both high strength stainless steel (duplex and high strength austenitic) and normal strength stainless steel (AISI 304) specimens were investigated. The SCFs were experimentally determined under static loading by measuring the strains at typical hot spot locations using strip strain gauges. The corresponding finite element analysis was performed to simulate the non-uniform stress distribution along the brace and chord intersection region. Good agreement between the experimental and finite element analysis results was achieved. Therefore, an extensive parametric study was then carried out by using the verified finite element model to evaluate the effects of the SCFs of cold-formed stainless steel tubular X-joints. The SCFs at the hot spot locations obtained from the experimental investigation and parametric study were compared with those calculated using the design formulae given in the CIDECT for carbon steel tubular X-joints. It is shown from the comparison that the design rules for the SCFs specified in the CIDECT are generally quite unconservative for cold-formed stainless steel tubular X-joints. In this study, a unified design equation for the SCFs of cold-formed stainless steel tubular X-joints is proposed. The proposed design equation was based on the CIDECT design equation for carbon steel tubular X-joints. It is shown that the SCFs calculated from the proposed unified design equation are generally in agreement with the values predicted from finite element analysis.     

国际期刊导读

采用有限元方法,对冷弯不锈钢方管、矩形管支撑和弦杆中的T型、X型及预应力X型节点进行数值分析。考虑几何非线性和材料非线性,获得节点承载力、破坏模式及荷载-位移曲线。利用试验结果,对T型、X型矩形管、方管节点的非线性有限元模型进行修正,直到有限元结果和试验结果足够吻合。采用修正后的有限元模型对172个T型、X型节点进行参数分析,研究冷弯不锈钢管节点强度和性能的影响。将数值分析和试验中获得的节点承载力与按规范计算的设计承载力进行对比。对不锈钢管结构,采用澳大利亚规范、新西兰规范计算;对碳素钢管结构,采用国际管结构发展与研究委员会设计规范和欧洲设计规范计算。通过可靠性分析,分别评价本文提出的设计方法和现有规范的可靠度。结果表明：采用本文方法计算的设计承载力更准确、更可靠。     

Design of cold-formed stainless steel tubular T- and X-joints

This paper describes the numerical investigation of cold-formed stainless steel tubular T-joints, X-joints and X-joints with chord preload using finite element analysis. The stainless steel joints were fabricated from square hollow section (SHS) and rectangular hollow section (RHS) brace and chord members. The geometric and material nonlinearities of stainless steel tubular joints were carefully incorporated in the finite element models. The joint strengths, failure modes as well as load-deformation curves of stainless steel tubular joints were obtained from the numerical analysis. The nonlinear finite element models were calibrated against experimental results of cold-formed stainless steel SHS and RHS tubular T- and X-joints. Good agreement between the experimental and finite element analysis results was achieved. Therefore, an extensive parametric study of 172 T- and X-joints was then carried out using the verified finite element models to evaluate the effects of the strength and behaviour of cold-formed stainless steel tubular joints. The joint strengths obtained from the parametric study and tests were compared with the current design strengths calculated using the Australian/New Zealand Standard for stainless steel structures, CIDECT and Eurocode design rules for carbon steel tubular structures. Furthermore, design formulae of cold-formed stainless steel tubular T- and X-joints are proposed. A reliability analysis was performed to assess the reliability of the current and proposed design rules. It is shown that the design strengths calculated using the proposed equations are generally more accurate and reliable than those calculated using the current design rules.     

钢管混凝土柱、钢筋混凝土板、钢梁连接节点的抗震性能:节点模型

基于已有试验和数值计算结果,研究了钢管混凝土柱(CFST)和钢梁的复合节点模型。采用参数研究法利用有限元分析方法(FEA)分析了节点连接处的弹性剪切刚度和剪切变形,给出了复合节点连接处包含弹性剪切刚度、剪切强度、剪切变形和滞后准则的迟滞模型。该迟滞模型用于整合基于纤维的节点宏单元,节点宏单元通过有限元方法和试验结果得到证实。研究了CFST节点和宏单元框架的整体和局部性能。该模型计算精确,建模方法适当,能够用于大尺寸和复杂组合结构的抗震性能分析。     

Seismic performance of CFST column to steel beam joint with RC slab: Joint model

Based on the previous experimental and numerical investigations presented in Han and Li (2010)and Li and Han (2011), this paper studies the joint model for the composite joint consisted of circular concrete filled steel tubular (CFST) column and steel beam with external diaphragm. The elastic shear stiffness and the shear deformation of the joint panel zone are investigated by parametric study using the finite element analysis (FEA) model. A hysteretic model incorporating the shear stiffness, shear strength, shear deformation and the hysteretic rules is proposed for the panel zone of the composite joint. This hysteretic model is then integrated in a fiber-based joint macro element. The joint macro element is validated by both FEA and experimental results. The overall and the local behavior of CFST joints and frame with macro elements are investigated. The proposed model is featured with a favorable accuracy and amenable modeling method, and could be applied to simulate the seismic behavior of large-scale and complex composite structural systems.     

冷弯不锈钢管T型及X型节点设计

采用有限元方法,对冷弯不锈钢方管、矩形管支撑和弦杆中的T型、X型及预应力X型节点进行数值分析。考虑几何非线性和材料非线性,获得节点承载力、破坏模式及荷载-位移曲线。利用试验结果,对T型、X型矩形管、方管节点的非线性有限元模型进行修正,直到有限元结果和试验结果足够吻合。采用修正后的有限元模型对172个T型、X型节点进行参数分析,研究冷弯不锈钢管节点强度和性能的影响。将数值分析和试验中获得的节点承载力与按规范计算的设计承载力进行对比。对不锈钢管结构,采用澳大利亚规范、新西兰规范计算;对碳素钢管结构,采用国际管结构发展与研究委员会设计规范和欧洲设计规范计算。通过可靠性分析,分别评价本文提出的设计方法和现有规范的可靠度。结果表明:采用本文方法计算的设计承载力更准确、更可靠。     

方钢管混凝土柱-外包钢混凝土组合梁连接节点滞回性能分析

提出了一种新型的方钢管混凝土柱与外包U形钢混凝土组合梁连接节点形式：隔板贯通部分钢筋贯穿式节点。设计了3个节点试件,对其进行低周反复荷载试验,利用ANSYS软件对低周反复荷载作用下的节点试件进行非线性有限元分析并与试验结果对比。结果表明:有限元分析得到的节点破坏形态、应力分布、滞回曲线、骨架曲线与试验结果吻合较好。在此基础上,对发生梁端塑性铰破坏模式的节点滞回性能进行参数分析,研究楼板厚度、U形钢壁厚、组合梁纵向受力钢筋配筋率、贯通隔板厚度以及轴压比对节点滞回性能的影响。研究结果表明：楼板厚度和U形钢壁厚对节点滞回性能有显著的影响,组合梁纵向受力钢筋配筋率对节点滞回性能影响较为显著,贯通隔板厚度和轴压比对节点滞回性能影响很小。     

火灾后方中空钢管混凝土柱滞回性能有限元分析

为研究火灾后方中空夹层钢管混凝土柱的滞回性能,采用合理的本构关系,建立有限元模型,分析参数有受火时间、轴压比、混凝土强度、空心率,并与相应试验结果进行比较,承载能力、滞回曲线以及破坏模态吻合较好。同时对火灾后方中空夹层钢管混凝土柱滞回性能进行机理分析,结果表明：混凝土强度对滞回曲线影响不明显,分析滞回骨架曲线得知承载力随着构件受火时间增加、轴压比的增大,空心率减小而减小。随着受火时间的增加,空心率的增大,构件的滞回耗能能力更好。     

Research on seismic behavior and restoring force model of circular steel tubular columns after impacts

为研究冲击荷载作用后圆钢管柱的抗震性能，对12个受冲击荷载作用后的圆钢管柱和3个未受冲击荷载作用的对比柱进行了拟静力试验，研究了冲击高度和轴压比等因素对圆钢管柱破坏模式、滞回性能、延性、刚度退化和耗能能力的影响。基于拟静力试验结果，建立了考虑冲击高度和轴压比参数影响的圆钢管柱恢复力模型。结果表明：冲击高度和轴压比对圆钢管柱的滞回性能均有显著影响，随着冲击高度的增加，滞回曲线由饱满对称的梭形逐渐变为狭窄不对称的梭形，圆钢管柱水平承载力和变形能力逐渐下降，延性和耗能能力显著下降；随着轴压比的增长，滞回曲线的饱满程度显著降低，圆钢管柱承载力和极限位移减小，延性和耗能能力显著降低；受冲击荷载作用后的圆钢管柱恢复力模型计算结果与试验数据吻合良好，可用于工程结构的抗震弹塑性分析。