十字板+圆钢管-焊接空心球节点静力性能理论及试验研究

十字板+圆钢管-焊接空心球节点(简称"板+管-球"节点)作为网架结构设置悬挂吊车常见的吊点形式之一,其应力分布直接关系到节点的静力性能和疲劳性能。基于ABAQUS有限元分析软件针对8种不同规格的"板+管-球"节点进行数值模拟,得到该类节点的应力分布规律和热点应力集中系数;选取代表性节点(BGQ4节点)进行静力试验,同时采用直观分析法探讨9种因素对节点热点应力集中系数的影响,得出其相关的应力集中系数计算公式。研究结果表明:理论分析和试验研究对应的节点应力分布规律基本吻合;十字板和焊接空心球相贯部位板肋自由端焊缝球面焊趾处为最不利位置,即热点所在;热点应力集中系数影响因素中球壁厚、球外径、十字板宽、十字板厚为主要因素,其中空心球壁厚对应力集中的影响最为显著,其余5种因素为次要因素。     

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。     

大跨组合桁梁桥全焊接节点局部应力有限元分析

大跨组合桁梁桥节点采用全焊接形式时,存在局部应力放大现象,可能影响桥梁疲劳性能。针对天津海河吉兆桥,基于有限元软件ANSYS采用热点应力法对焊接节点的疲劳性能进行分析。初步分析结果表明,采用ANSYS自带的Smart划分方式及高阶单元进行有限元分析所得到的结果具有足够的精度,节点焊缝处未产生应力集中现象,模型边界条件对结果影响较大。通过不同工况的对比分析,发现节点处斜腹杆的剪力和弯矩作用对节点板外侧转角处的应力有一定影响,但与轴力相比影响程度较小。通过对该桥焊接节点的局部应力有限元分析,证明节点板关键部位在全桥实际荷载作用下的应力水平处于安全范围内,为结构的设计施工提供可靠依据,并可为今后该类节点的疲劳分析提供参考。     

国际期刊导读

给出波纹钢腹板与翼缘板焊接节点的疲劳评估方法。对这种焊接节点的失效模式、应力分布和疲劳强度进行试验研究和有限元分析。由于节点处弧线焊缝的应力集中对疲劳寿命的评估十分重要,因此,对这类几何效应进行了研究,并对其应力特性进行了讨论。结果表明,由于节点处弧线焊缝疲劳关键点的应力集中,曲率半径与波纹高度之比越小,波纹和曲率角度的影响越显著,反之亦然。可将十字形节点的S-N曲线作为极限值,与不同波纹角度焊接节点的疲劳强度进行对比。所提出的方法考虑了复合应力条件,可用于波纹板焊接节点的疲劳评估。该方法也从理论上对残余应力的影响进行了讨论。     

受压焊接空心球节点高温试验研究

为研究受压焊接空心球节点火灾下的性能,利用高温试验炉,对不同空心球外径和壁厚、钢管外径和壁厚、钢材屈服强度和荷载比的6种受压焊接空心球节点试件进行了高温作用下的试验研究,得到了其在高温下的温度分布、位移特征和破坏形式,并研究了对其极限耐火时间的影响因素;根据欧洲规范,对受压焊接空心球节点高温作用下的性能进行了非线性有限元数值模拟,分析了节点的温度场分布规律和影响因素。通过分析高温作用下节点的位移变化特征,确定了其破坏模式;试验结果和有限元分析结果进行了对比,二者吻合较好。研究结果表明：增大焊接钢管壁厚和降低焊接空心球节点实际承受的荷载可以有效地延长受压焊接空心球节点的极限耐火时间;钢管根部是高温作用下受压焊接空心球节点的薄弱部位。图13表2参9     

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.     

平面内疲劳荷载作用下带有钢管混凝土弦杆的方形中空截面T形节点的受力分析

近年来,钢管混凝土节点在桥梁工程中的应用越来越广泛。因此需要对这些节点在疲劳荷载作用下的可靠性进行研究,以避免可能突然发生的灾难。对由具有方形中空截面(SHS)的弦杆和支撑构成的中空截面T形节点进行了分析。具有中空截面的弦杆中填充了混凝土,因此形成了焊接组合管状T形节点。对此类节点进行的静力加载试验,校验了应变状态,以确定容易产生裂纹的热点区的应力集中系数。同时也对平面内弯曲循环荷载作用下的支撑的焊接组合节点进行了疲劳试验,以得到应力范围-循环次数(S-N)关系曲线的数据。在焊接的组合管状T形节点的热点区得到的应力集中系数最大值远远小于无任何填充的中空截面T形节点中的应力集中系数最大值。无论是弦杆还是支撑,其中的焊接组合管状T形节点中的疲劳破坏,都是在构件的焊趾处形成初始裂纹以及裂纹的发展过程中产生的。大量的试验也表明,破坏往往是先在弦杆的焊趾处产生第一道裂纹。研究同时发现,填充的焊接组合管状T形节点也比无填充的中空T形节点具有更好的抗疲劳强度。通过运用热点区应力方法进行的疲劳分析,提出了应用于填充混凝土弦杆的中空T形节点的设计方法。     

网架结构超大直径焊接空心球节点破坏机理分析及其承载能力的试验研究

本文首次对超大直径焊接空心球节点进行了系统的理论分析及试验研究。以弹塑性分析为基础,运用非线性有限元方法,揭示了超大直径焊接空心球节点表面的应力、应变及位移的分布规律;按冲剪模型理论建立了超大直径焊接空心球节点在受拉时的承载力计算公式;基于能量法原理建立了受压节点承载能力的理论表达式,得到了其极限载荷的上限理论解。同时本文还对6组超大直径焊接空心球受压节点进行了试验研究,试验结果与理论结果进行了比较,二者符合较好。     

三腹板直角突变式支座钢吊车梁受力性能分析

目前国内钢吊车梁直角突变式支座发展出疲劳裂纹的现象十分普遍,为改善该类支座的抗疲劳性能,提出了三腹板的加固构造方式。利用ANSYS有限元软件进行数值仿真计算,分析支座处加固前后各应力集中部位沿焊缝长度方向的结构应力分布及过渡板对三腹板构造的影响;基于热点应力法,探究了边腹板长度、厚度、间距对三腹板构造加固效果影响的一般规律。研究表明:相比于原构造,三腹板构造各位置结构应力最大值下降了约60%;设置过渡板可以增加三腹板构造与原构造的整体性,避免出现新的应力集中位置;随着长度、间距、厚度的增加,其主要表现分别为位置3处中腹板与边腹板应力的相互接近、位置1处应力水平的逐渐降低、位置1～3处应力水平的逐渐降低。     

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。     

网架焊接空心球节点静力及疲劳性能研究

焊接空心球节点是网架结构合理的节点型式。本文从理论和试验两方面对其静力及疲劳性能进行了试验研究。利用有限元计算和大量应变实测基本摸清了单向受拉弹性阶段球面应力分布的规律,通过理论及200多个试验数据的综合分析,提出了新的简单、合理的承载力计算公式。通过四种规格15个试件的疲劳试验,得到了S-N曲线,借助薄壳理论分析求得SCF计算公式,并将热点应力幅的概念用于研究,建立了适用于各种管球配合的剖口焊情况下疲劳验算方法。     

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。     

球外肋板加固焊接空心球节点的轴拉力学性能

由于锈损、火灾或地震损伤、荷载变化等因素,在役空间网格结构常会承载力不足,需要进行加固.针对空间网格结构中常用的焊接空心球节点,通过8个球外加肋试件的轴拉破坏试验和有限元参数化数值分析,研究了球外加肋对焊接空心球节点的加固效果,得出如下结论:1)轴拉作用下,焊接空心球、钢管与肋板连接处应力发展较快,最先达到屈服,而未加...     

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。     

支管轴力和弯矩联合作用下T形圆钢管相贯节点热点应力分析与计算北大核心CSCD

支管荷载形式对节点的应力集中系数影响很大,利用ANSYS有限元程序模拟了T形圆钢管相贯节点在三种基本荷载(支管轴力、平面内弯矩以及平面外弯矩)单独作用下的热点应力分布曲线以及应力集中系数,分析结果与试验结果、文献公式计算结果进行了对比,结果吻合良好,表明该模型较为精确地模拟了T形节点的应力分布。进而利用该模型研究了T形圆钢管相贯节点在基本荷载及其不同联合荷载作用时的热点应力分布情况,获得了最大热点应力及其分布位置,分析同时考虑了无量纲几何参数对最大热点应力的影响。在API规范公式的基础上,提出了计算最大热点应力的修正公式,按修正计算式计算得到的值与有限元分析结果吻合良好,且具有较好的适用性。     

火灾下焊接空心球节点的温度场分析

基于火灾高温下网格结构的应力特征和火灾性能,按照EuroCode 3和国际标准升温曲线(ISO834 ),对焊接空心球节点火灾高温下的性能进行了非线性有限元数值模拟.研究了焊接空心球节点火灾高温下温度场的分布规律和影响因素.研究结果表明,通过降低焊接空心球节点实际承受的荷载比和外焊钢管的厚度可以有效延长其极限耐火时间,并且焊接空心球节点在受拉时的极限耐火时间比受压时的长.     

反向平衡法兰热点应力幅实测及有限元分析

反向平衡法兰作为一种新型大直径钢管结构连接节点,近年来在风力发电塔结构中得到了大量应用。通过实测风力发电塔运行荷载和反向平衡法兰各焊缝处的热点应力幅,采用有限元方法对反向平衡法兰进行疲劳热点应力分析。研究表明:有限元分析结果与实测结果一致;法兰板与筒壁上焊缝是焊接疲劳分析的关键位置;实测热点应力幅小于极限疲劳强度,有限元计算疲劳设计热点应力均小于52.63 MPa,反向平衡法兰焊缝疲劳性能满足要求。     

受压加肋焊接空心球节点抗火试验研究

为研究火灾下受压加肋焊接空心球节点的性能,对2个足尺节点进行受火试验。通过试验得到了加肋焊接空心球节点在标准火灾下的节点表面温度场、不同荷载下节点的耐火时间、破坏形式以及位移特征。根据欧洲规范,建立了三维加肋焊接空心球节点的有限元模型,分析了火灾下节点温度发展规律及位移特征。有限元分析结果与试验结果的对比验证了有限元分析的正确性。研究结果表明：升温过程中,加肋焊接空心球节点中远离加劲肋处的球壳温度最高,靠近加劲肋以及钢管连接处的球壳温度较低;火灾下受压加肋焊接空心球节点的破坏具有突然性,破坏发生在钢管与球节点的连接处;荷载比大的球节点耐火时间短。     

K形管板节点受弯承载力试验研究与有限元分析

为研究K形管板节点的受弯承载性能,对其进行静力试验和有限元分析。完成了5组K形管板节点足尺模型静力试验,以主管直径与主管壁厚为主要变化参数,分析参数变化时节点试件在受载过程中的响应及承载力。建立K形管板节点有限元分析模型,研究主管直径、主管壁厚和节点板长度等主要参数对节点受力性能的影响。试验和有限元分析结果表明,K形管板节点的受弯承载力随着主管直径的增大而减小、随着主管壁厚的增加而增大、随着节点板长度的增长而增大。在试验和理论分析基础上,通过数值回归方法提出了管板节点受弯承载力计算式,并验证了其适用性。     

方钢管混凝土柱-钢梁双侧板贯穿式节点抗震性能试验研究

双侧板贯穿式节点是基于钢管混凝土柱横向受力特点而提出的一种新型梁柱连接节点。对6组17个十字形节点进行静力和拟静力试验研究,分析节点核心区的受力特点及抗震性能,结果表明:塑性铰均发生在穿心板外的钢梁上,调整竖向穿心板长度可以控制塑性铰发生的位置;双侧板贯穿式节点可有效地减缓钢梁上翼缘与钢管柱连接处的应力和应变梯度,减小节点核心区所受剪力,削减梁柱连接焊缝应力峰值,从而提高结构体系的耗能能力;所有节点试件的滞回曲线饱满,强度和刚度退化不明显,延性好,耗能能力强;不同类型和尺寸竖向穿心板的节点试件整体抗震性能差别不大。研究成果可供矩形钢管混凝土组合结构抗震设计参考,丰富钢管混凝土柱-钢梁节点的类型,促进钢管混凝土组合结构在工程中的进一步推广应用。