主管内填充混凝土矩形钢管桁架受力性能试验研究

为研究主管内填充混凝土对矩形截面钢管桁架受力性能的影响,并考虑节点偏心作用,进行了支主管宽度比β为0.8的空钢管桁架、受压主管内填充混凝土桁架和拉压主管内均填充混凝土桁架的对比试验。试验研究表明:结构破坏均发生在节点部位,主管内填充混凝土改变了节点失效模式,其中空钢管桁架为节点部位的受压主管表面塑性失效和侧壁鼓曲,受压主管内填充混凝土桁架为节点部位的受拉主管表面塑性失效和侧壁鼓曲,拉压主管内均填充混凝土桁架为节点部位的受拉主管表面冲剪失效。主管内填充混凝土不但能协助主管受力,而且能够提高节点强度和刚度,提高桁架的整体承载力。节点相对偏心较大时,由偏心造成的次应力比较明显,对支管的影响要比对主管的影响大。节点试验承载力比按相关规范的计算承载力要高出较多,计算结果偏于安全。     

主管内填混凝土的矩形钢管X型节点受拉和受弯性能试验研究

为了解主管内填混凝土对矩形钢管X型节点性能的影响,分别进行4个矩形钢管混凝土X型节点和1个矩形钢管X型节点的受拉和受弯试验,试验主要参数为支主管宽度比β和主管宽厚比γ。试验结果表明,主管内填混凝土能够改善节点受力性能,提高节点刚度和承载力,与矩形钢管节点相同,参数β和γ是影响矩形钢管混凝土受拉和受弯节点承载力的主要因素,β越大、γ越小,矩形钢管混凝土节点受拉和受弯承载力越高,节点刚度越大;由于主管内填混凝土的作用,改变了节点破坏模式几何参数的变化范围,节点破坏模式与矩形钢管节点不同。建议套用相应矩形钢管节点承载力计算公式,依据破坏模式来验算矩形钢管混凝土X型节点的受拉和受弯承载力。     

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。     

支主管宽度比β=1.0的部分填充混凝土矩形钢管桁梁力学性能研究

设计了支主管宽度比β=1.0的空钢管、部分填充混凝土和钢管混凝土3种桁架,利用大型通用有限元程序MIDAS/FEA建立了有限元分析模型,进行了3种桁架受力性能的对比分析。研究结果表明:桁架破坏均发生在节点部位,但节点失效模式不同,主管内填混凝土改变了节点的失效模式。3个桁架的极限承载力均受到节点控制,主管内填混凝土能够有效提高桁架节点的强度和刚度,从而提高桁架的承载能力,减小桁架的整体变形。所建立的有限元模型能较好地分析部分填充混凝土矩形钢管桁架的力学性能,通过对各种影响参数进行分析,得到桁架受力的一般规律,为实际工程应用提供理论依据。     

受压弦管填充混凝土的矩形钢管桁架静力性能分析

为了研究弦管填充混凝土对矩形钢管桁架结构受力性能的影响,以受压弦管填充混凝土的矩形钢管桁架梁为研究对象,采用有限元数值模拟的方法,综合考虑材料非线性和几何非线性,分析了模型在节点荷载作用下结构的应力和变形分布、塑性发展和破坏模式。结果表明:下弦空管节点应力集中现象较明显,其承载能力是整个桁架承载能力的瓶颈;桁架的破坏模式是下弦空管节点塑性变形过大;弦管填充混凝土的节点变形和应力均很小,其承载能力较空弦管节点提高较大,受压弦管填充混凝土的矩形钢管桁架延性较好。     

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。     

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。     

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%。     

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。     

局部加载下中空夹层钢管混凝土的试验研究

对局部受压下的中空夹层钢管混凝土进行试验研究。分别对含内外两层钢管的14个圆形构件和15个方形试件进行试验,试验参数包含:空心率、顶端板厚度、局压面积比。结果表明:局部受压下中空夹层钢管混凝土呈现延性。各试验参数对局部受压中空夹层钢管混凝土短柱的性能和破坏模型有很大影响。最后,提出分析局部受压下中空夹层钢管混凝土承载力的简化计算模型。     

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。     

矩形钢管混凝土横向局部承压强度的试验研究

本文进行了9个矩形钢管混凝土和3个空心矩形钢管的横向局部承压试验。试验的主要参数为局部承压面积和管内混凝土填充长度。试验结果表明,矩形钢管混凝土横向局部承压强度提高系数高于素混凝土局部承压强度提高系数,钢管参与了局部承压,管内混凝土的填充长度也是影响横向局部承压强度的主要因素。在分析横向局部承压机理的基础上,构造了考虑钢管参与工作和混凝土长度影响的局部承压强度计算公式,与J.A.Packer和本文的试验结果相比,均吻合较好,为我国正在编制的《矩形钢管混凝土结构技术规程》中桁架X型受压节点承载力计算提供了参考依据。