钢管混凝土组合桁梁受弯承载力简化计算方法研究

钢管混凝土组合桁梁由钢管混凝土桁架和混凝土板组成,其在承受正弯矩时可充分发挥混凝土板与桁架的组合作用。为对这种结构的受弯受力性能进行研究,提出了基于铰接桁架的分析方法,以不带竖腹杆的warren型钢管混凝土组合桁梁为例,推导了在节点单点荷载以及两点对称荷载作用下简支组合桁梁各个构件的效率系数。通过不同构件之间的效率系数进行对比,得到了组合桁梁的破坏模式判定以及受弯承载力简化计算方法。同时通过引入腹杆抗力折减系数,将节点承载力对组合桁梁受弯承载力的影响也考虑在内。将公式计算结果与既有文献中的钢管混凝土组合桁梁、桁架试件试验结果进行了对比,破坏模式和受弯承载力均吻合良好,所选全部33榀试件的计算值与实测值的相对误差为1.27%,标准差为0.128。结果表明,该简化计算方法建立了节点与组合桁梁承载力之间的相互联系,能够快速、准确地对破坏模式及受弯承载力进行估算,可极大地简化设计流程。设计中应根据组合桁梁各构件的效率系数对其截面尺寸进行优化,确保不同破坏模式下的受弯承载力较为接近,同时避免由于节点或腹杆过早失效导致组合桁梁发生剪切破坏。     

矩形钢管混凝土组合桁梁负弯矩区受力性能试验研究

矩形钢管混凝土组合桁梁由混凝土板和矩形钢管混凝土桁架组成,在竖向荷载作用下,其正弯矩区可充分发挥混凝土板和桁架的组合作用,但负弯矩区的力学性能较为薄弱且受拉混凝土板容易开裂。针对这一问题,提出了在负弯矩区混凝土板施加预应力以及布置局部释放剪切作用的剪力钉相结合的组合桁梁结构形式。采用跨中施加反向集中荷载模拟连续梁支点反力的方法,对2榀承受负弯矩的矩形钢管混凝土组合桁梁进行了静力加载试验,对其荷载-位移关系、裂缝发展规律、混凝土板应变分布、桁梁荷载-应变关系、钢与混凝土界面滑移及承载力进行了分析。还根据组合桁梁的简化力学模型对不同加载阶段的结构特征荷载进行了讨论。结果表明：采用局部释放剪切作用的剪力钉和混凝土板施加预应力的组合桁梁结构形式可有效提高其抗裂性能,但对受弯承载力影响较小;在加载过程中混凝土板的开裂和杆件的屈服导致结构塑性变形增大,最终节点处焊缝撕裂,组合桁梁丧失承载力;由简化力学模型计算得到的结构特征内力与实测值吻合较好,可为矩形钢管混凝土组合桁梁负弯矩区的设计和计算提供参考。     

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。     

腹杆形式对钢管混凝土桁梁受力性能影响的研究

进行了3榀钢管混凝土桁梁试件四分点对称加载静力试验,研究腹杆布置形式对整体受力性能的影响,并探讨了有限元法和节点承载力验算方法。试验研究结果表明,3榀桁梁试件的整体极限承载力和极限变形能力从大到小的腹杆布置形式为修正的Warren式、Pratt式和Warren式。不同腹杆布置形式的桁梁节点失效模式不同,修正的Warren桁梁和Pratt桁梁的节点失效模式为弦杆钢管扯裂失效,而Warren桁梁为受压腹杆接头局部屈曲。通过对比荷载-变形关系实测曲线与计算曲线,对有限元梁单元模型计算钢管混凝土桁梁整体受力性能的精度进行了分析。在不考虑节点处弦杆钢管与管内混凝土界面非线性的影响时,有限元刚接梁单元模型和铰接梁单元模型计算的整体极限承载力均大于实测值,而计算变形值均小于实测值。与铰接梁单元模型比较,刚接梁单元模型计算的弹塑性阶段整体抗弯刚度及整体极限承载力的精度更高。刚接梁单元模型计算的腹杆轴力与实测值吻合良好。当忽略腹杆弯矩影响时,桁梁节点承     

空间组合桁梁桥受力特点及剪力滞分析

桁架组合梁桥包括复合桁梁桥和组合桁梁桥。组合桁梁桥是指将一般钢桁梁的上、下弦和混凝土桥面板结合在一起共同受力的结构。通过对奉干公路浦南运河空间组合桁梁桥的有限元计算,分析了空间组合桁梁桥的传力特点,通过桥面板应力分布得到有效宽度,揭示了腹杆轴力与桥面板剪力滞现象之间的关系,为组合桁梁桥的设计提供参考。     

桁腹式组合桁梁桥剪力滞效应分析

为深入了解桁腹式组合桁梁桥节点区域的剪力滞效应,通过建立简支桁腹式组合桁梁桥ABAQUS有限元模型,以梁桥承受竖向荷载时的节点为观察对象,在宽度和长度两个维度上量化分析桥面板的纵向正应力、剪力滞系数和有效宽度的规律。模拟结果显示,桥面板同时存在剪力滞效应和负剪力滞效应,在节点区域效应最严重,各节间中点区域剪力滞效应较低。按规范计算的简支箱梁桥有效宽度与桁腹式组合桁梁桥上有效宽度最大值相当,但与最小有效宽度差异较大。     

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。     

新型环氧树脂混凝土装配式桁架K型节点影响因素研究

新型环氧树脂混凝土装配式桁架节点采用新型环氧树脂混凝土材料制作而成,将弦杆、腹杆和节点板通过螺栓组合连接而成。以K型节点为研究对象,介绍了基本假定、材料应力-应变关系等理论分析基础,建立了3种不同螺栓直径、节点板厚的新型环氧树脂混凝土装配式桁架K型节点有限元模型,分析并研究了2种不同的影响因素对新型环氧树脂混凝土装配式桁架K型节点腹杆和弦杆、节点板、钢筋、螺栓应力状态的影响,明确研究结论,优化新型环氧树脂混凝土装配式桁架K型节点的设计,为后续新型环氧树脂混凝土装配式桁架节点研究提供依据。     

相贯节点平面钢管桁架中受压腹杆的计算长度研究

《钢结构设计规范》(GB 5 0 0 17- 2 0 0 3)对钢管桁架中受压腹杆的计算长度没有明确说明,结合国内外的研究成果,利用有限元分析程序,对相贯节点连接的平面钢管桁架中受压腹杆的计算长度进行了计算分析。结果表明:相贯节点平面钢管桁架中受压腹杆的计算长度主要和腹杆与弦杆外部宽度之比、壁厚之比有关。最后给出了受压腹杆计算长度设计建议值。     

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。     

平面X形圆钢管混凝土节点平面外受弯性能试验研究

为了解平面X形圆钢管混凝土节点的平面外受弯性能,分别对4个主管填混凝土和4个支管填混凝土的平面X形圆钢管节点进行支管平面外弯矩作用下的试验研究。考察了支管、主管分别填混凝土2种情况下节点的破坏模式和应力分布,并分析了钢管内混凝土对节点平面外抗弯刚度及承载力的影响。试验中支管填混凝土节点出现了主管塑性、支管局部屈曲和支管受拉侧焊缝或热影响区管壁开裂的破坏模式,主管填混凝土节点则发生了支管局部屈曲及支管受拉侧焊缝开裂破坏。主管填混凝土节点与支管填混凝土节点相比,由于主管内填混凝土对于主管管壁的局部变形起到明显的约束作用,明显提高了主管的径向刚度,增大了节点的平面外抗弯刚度。实测节点承载力与欧洲规范计算的空钢管节点理论承载力比较表明,主管内填混凝土能极大提高节点平面外受弯承载力,最大可提高132%;支管内填混凝土可使节点平面外受弯承载力最大提高60%。     

主管灌混凝土平面X形圆钢管节点受压承载力试验研究

对6个不同截面几何参数主管中灌混凝土的平面X形圆钢管节点在支管轴向压力作用下的承载性能进行单调加载试验研究。描述了X形圆钢管混凝土节点破坏现象,给出了支管轴力-整体位移曲线、支管轴力-主管管壁变形曲线以及节点区域折算应变分布曲线,并将支主管外径比β、主管径厚比γ和支主管壁厚比τ对节点承载力和抗压刚度的影响进行分析。结果表明：节点初始抗压刚度随着β、γ的增大而提高,而τ对初始抗压刚度影响很小;所有节点试件主管测点都未进入塑性,均为支管根部冠点首先进入塑性,且直到破坏时折算应变一直保持最大;主管灌混凝土使钢管节点承载力明显提高。有限元计算结果与试验结果吻合较好。     

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。     

鸟嘴式X形方管节点在支管荷载作用下的应力集中及疲劳性能研究

为研究鸟嘴式X形方管节点的应力集中特性和疲劳性能,设计了8个节点试件,并开展支管轴力工况和支管面内弯矩工况下的疲劳试验。通过静力单调加载试验,测得焊趾附近的应变分布,并采用二次外推法得到热点应力值和应力集中系数(SCF),分析此类节点在典型支管工况下的关键热点区域;同时,基于有限元参数分析揭示节点几何无量纲参数对SCF的影响规律,并提出SCF计算式。在此基础上开展循环加载试验,得到节点的疲劳破坏模式、裂纹扩展过程、刚度退化及疲劳寿命等性能指标。研究表明：支管轴力工况下的SCF最大值位于主管鞍部或支管鞍部,支管面内弯矩工况下的SCF最大值均位于支管冠部;裂纹多萌生于SCF最大值区域,且在裂纹贯穿壁厚之后节点刚度急剧下降;裂纹达到极限长度时,支管轴力工况下的节点刚度退化率在14%以内,而支管面内弯矩工况下的节点刚度退化率最大达40%;国际管结构协会疲劳设计指南的Srhs-N曲线可用于评估鸟嘴式节点的疲劳寿命;在同等名义荷载作用下,鸟嘴式方管节点的疲劳性能要显著优于相同几何尺寸的传统方管节点。     

Stress and strain concentrations of completely overlapped tubular joints under lap brace OPB load

The stress and strain concentrations of a completely overlapped tubular joint specimen are experimentally investigated under lap brace out-of-plane bending (OPB) load. The experimental results showed that the strain distribution near the weld toe is fairly linear. The maximum strain concentration factor of the joint occurs at the through brace saddle near the lap brace. For the finite element (FE) analysis, both 8-node thick shell and 20-node solid elements are suitable for modelling the joint specimen. A set of parametric equations is proposed for predicting the stress concentration factor (SCF) of completely overlapped tubular joints based on 5184 FE models. The parametric equations are verified against the acceptance criteria of Fatigue Guidance Review Panel. The assessment of the proposed equations is based on the database of FE analysis and test results. The comparison of SCF showed that the existing T/Y-joint parametric equations for predicting the SCF of completely overlapped tubular joints are inappropriate under OPB load.     

Strain and stress concentration of completely overlapped tubular CHS joints under basic loadings

A completely overlapped tubular circular hollow section (CHS) joint specimen is tested under lap brace axial loading (AX), in-plane (IPB) and out-of-plane bending (OPB) to determine the strain concentration factor (SNCF) at the intersection of members for the verification of a finite element (FE) model. The experimental results showed that the strain distribution on the outer surface of members near the weld toe of the joint is fairly linear. The maximum SNCF of the joint occurs at the through brace saddle near the lap brace under AX and OPB and at the lap brace crown heel under IPB. The SNCF at the intersection of the chord and through brace for the joint under IPB and OPB is negligible. For the FE analysis, the comparison of SNCF between the test specimen and the 8-node thick shell FE model under AX, IPB and OPB load cases shows reasonably good agreement with average differences of 7.9%, 10.6% and 5.8% respectively. The comparison of stress concentration factor (SCF) revealed that the existing T/Y-joint equations are not suitable for predicting the SCF of completely overlapped tubular CHS joints. The SCF of completely overlapped tubular CHS joints can effectively be reduced by proper control of its geometrical properties.     

焊接管节点疲劳研究综述

为加深对焊接管节点疲劳问题的认识,对焊接管节点名义应力法、热点应力法、切口应力法和断裂力学法4种常用疲劳评估方法应用现状和存在问题进行介绍,从疲劳效应（热点应力集中系数）和抗力（热点应力幅S N曲线）2个方面对首推的热点应力法研究现状进行总结,探讨了管节点结构形式的发展趋势。结果表明:焊接管节点常用四大疲劳评估方法中名义应力法应用最广,但过于保守,热点应力法最被推崇,但仍有待进一步完善,切口应力法实施难度大,尚未在规范中使用,断裂力学法则适用于剩余疲劳寿命评估;对于传统的圆形和矩形钢管节点,已形成了较为系统的热点应力评估方法,对热点应力集中系数最大值可能发生位置、外推区域、热点应力集中系数计算公式、壁厚效应修正系数等方面进行了明确的规定;在传统的圆钢管和矩形钢管节点基础上,创新节点形式,提出了钢管混凝土节点、PBL加劲型钢管混凝土节点、圆管 方管节点和鸟嘴式节点,对比传统钢管节点,钢管混凝土节点热点应力集中系数降幅在25%以上,PBL加劲型矩形钢管混凝土节点降幅在50%以上,圆管 方管节点和鸟嘴式节点降幅则介于圆形钢管和矩形钢管节点之间。     

Load combination effects on stress and strain concentration of completely overlapped tubular K(N)-joints

The stress and strain concentration of a completely overlapped tubular K(N) joint specimen under lap brace axial (AX), in-plane (IPB) and out-of-plane bending (OPB) is experimentally investigated. The combination effect of these loadings on the stress concentration of the joint is also studied. The test results showed that the maximum strain concentration factor of the joint under AX and OPB occurs at the saddle of through brace near the lap brace. For the joint under IPB, it occurs at the crown heel of lap brace. The peak hot spot stress (HSS) of the joint under combined loading is found occurred at a position between the crown and the saddle of members. A comparison of HSS showed that the equation proposed by Gulati et al. agrees reasonably well but the design recommendation, API RP2A, over predicts the test data. In the numerical analysis, the finite element model with 8-node thick shell element simulates very well the joint specimen. It is concluded that the existing equation for simple joints based on a superposition of stresses of basic load cases is suitable for predicting the stress concentration of completely overlapped tubular K(N)-joints under combined loading.     

钢管K形节点足尺模型疲劳性能试验研究

为研究钢管K形节点的疲劳性能,进行了足尺模型的疲劳试验,采用梯度应变片测量焊缝区域应力变化,采用相控阵扫描成像检测系统(简称相控阵)检测初始缺陷和疲劳裂纹,对疲劳开裂后的钢管K形节点进行切片观测,研究节点相贯焊缝附近的热点应力分布、疲劳裂纹扩展规律和疲劳破坏模式等,并分析了采用名义应力法和热点应力法评定钢管K形节点疲劳寿命的合理性。结果表明:钢管K形节点的热点应力宜采用梯度应变片得到的梯度应力进行线性外推得到,最大热点应力位于主管和受拉支管相贯焊缝靠近主管侧的冠点处;节点两侧鞍点热点应力值最大误差率为6.64%,节点基本不受面外弯矩影响;采用相控阵检测能够对节点初始缺陷和疲劳裂纹进行定位、定性和定量分析;切片观测结果表明,钢管K形节点疲劳裂纹属于张开型I裂纹;疲劳裂纹的萌生、扩展和破坏阶段分别对应的加载次数为0~229.1万次、229.1~245.5万次和245.5~251.2万次,疲劳裂纹萌生于热点应力最大主管和受拉支管相贯焊缝靠近主管侧的冠点处,其疲劳破坏属于弹性范围内的脆性破坏;名义应力法由于名义应力幅放大系数偏大,评定所得的钢管K形节点疲劳寿命过于保守;基于热点应力法,CIDECT评定所得结果偏不安全,API评定结果具有1.11倍的安全富余,适用于评定本试验中钢管K形节点的疲劳寿命。