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。     

阵列式布设内栓钉的钢管混凝土K型节点足尺模型疲劳性能研究

为研究阵列式布设内栓钉的钢管混凝土K型(CFST KS)节点疲劳性能,进行CFST KS节点和不布设内栓钉的钢管混凝土K型节点(CFST K)足尺模型的疲劳试验和有限元研究,对比分析了2种节点的热点应力分布、疲劳裂纹扩展过程和疲劳破坏模式,研究了内栓钉布设区域与排布方式对热点应力的影响,采用基于热点应力的S-N曲线探讨疲劳寿命的判定标准与疲劳寿命评价方法。结果表明：CFST KS节点的热点应力宜采用3点外插法计算,最大热点应力位于冠点处;CFST KS节点的疲劳性能演化过程可以分为疲劳裂纹的萌生、扩展和破坏三个阶段,CFST KS节点较CFST K节点在裂纹扩展阶段荷载反复次数更高,在裂纹破坏阶段疲劳裂纹的扩展速率更低,由于布设了内栓钉,疲劳裂纹扩展至鞍点附近后不再继续沿着相贯线方向扩展,而往主管环向且与主管轴线呈一定角度发展;建议采用CFST K节点冠点应变峰值变化15%对应的荷载反复次数作为疲劳破坏的判定基准;提出了基于热点应力的CFST K节点疲劳设计S-N曲线,并依据S-N曲线预测在同等热点应力幅下,布设内栓钉可以使CFST K节点的疲劳寿命提高45%;减少支管侧内栓钉的轴向间距和径向间距可以提高节点的疲劳性能,非支管侧的栓钉布置、栓钉的尺寸以及栓钉的轴向布置范围对疲劳性能的影响较小,栓钉的轴向布置范围对栓钉自身的受力状态有所影响;基于CFST KS节点静力与疲劳性能提出了内栓钉的合理布置形式。     

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。     

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。     

X形方圆钢管相贯节点超低周疲劳断裂试验研究

为研究焊缝类型和内加肋板对钢管相贯节点超低周疲劳性能的影响,开展了 3个X形方圆钢管相贯节点的超低周疲劳试验,研究了节点的破坏形态,分析了节点处的应变分布规律,得到了节点的疲劳寿命.试验结果表明:3个X形方圆钢管相贯节点的裂纹均起始于节点的鞍点位置,角焊缝和熔透焊缝X形方圆钢管焊接相贯节点均呈现出冲切破坏特征,并且焊缝...     

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。     

环口板加固T型圆钢管节点的应力集中系数

由于焊接钢管结构在焊缝处的刚度具有不连续性,因此,该部位存在很高的应力集中现象.局部高应力的存在,使节点在长期循环荷载的作用下,会产生微小的疲劳裂纹,而疲劳裂纹的扩展最终会导致整个节点的疲劳破坏.在研究管节点疲劳破坏时,主要通过热点应力幅（S-N曲线方法）确定其疲劳寿命.在计算焊缝处的热点应力幅大小时,经常用到焊缝周围...     

不同焊接构造的铸钢节点环形对接焊缝的热点应力分析

铸钢节点与主体构件的环形对接焊缝处存在材料差异、几何差异和焊接残余应力,因此环形对接焊缝是铸钢节点疲劳破坏的重要研究对象。目前,国内对铸钢节点焊缝疲劳问题的研究比较缺乏,传统名义应力方法并不适用于铸钢节点。采用热点应力方法对铸钢节点环形对接焊缝的疲劳问题进行探究,比较4种热点应力外推方法的计算结果。为减小铸钢节点与主体构件不等壁厚对接焊缝产生的应力集中对疲劳性能的影响,分析对比了3种不同的焊接构造,并分别研究在壁厚t、径厚比d/t、壁厚比T/t三种参数影响下的热点应力变化规律。     

钢管混凝土拱桥K形节点破坏模式及极限承载力研究

建立了钢管混凝土K形节点的精细化有限元模型,基于模型试验数据对有限元模型进行校核,试验值与有限元计算值最大相对偏差为7. 26%,平均相对偏差为3. 72%,说明有限元模型具有较高的精度。采用理论分析和数值模拟方法对钢管混凝土K形节点破坏模式和极限承载力影响因素进行研究,结果表明:钢管混凝土K形节点荷载-位移曲线可分为弹性、弹塑性和破坏三个阶段,破坏模式为受压支管接头局部屈曲破坏和受拉支管接头处主管扯裂破坏;节点极限承载力随着主管径厚比、支管径厚比和支管间隙的减小而变大,随着支管与主管外径比、支管与主管壁厚比、核心混凝土等级的增加而变大,随着支管与主管轴线夹角的增大而先变小再变大,随着主管轴压力水平先变大后变小;节点极限承载力增长系数与节点尺寸缩放系数之间呈正相关,基本呈线性增长,节点极限承载力增长系数变化速度大于尺寸缩放系数,最后提出了钢管混凝土K形节点不同破坏模式的极限承载力建议公式。     

钢管壁厚对管节点疲劳性能的影响

评述了管节点疲劳裂纹的扩展过程和疲劳寿命的估算方法，分析了海洋平台Ｔ型管节点焊趾附近的应力分布情况，在试验和节点应力分析的基础上，按断裂力学方法计算疲劳寿命，得出了管节点疲劳性能与壁厚关系和计算公式．     

Mesh modelling and analysis of cracked uni-planar tubular K-joints

In this paper, a new modeling method is proposed for a uni-planar tubular K-joint containing an arbitrary surface crack located along the chord weld toe. The crack is defined first in a 2-D plane and then mapped onto a 3-D curved crack surface. Subsequently, an automatic mesh generation is developed for producing the complete finite element mesh model. This technique can be realized by sub-dividing the entire structure into distinct zones. In each zone, the mesh is generated separately. After the mesh of all the zones have been completed, the complete model is obtained by merging the mesh of every zone. It has been proved to be efficient and effective in producing different quality mesh at different zones. In order to locate the likely crack initiation position, the hot spot stresses and hence the stress concentration factors (SCFs) need to be determined precisely. The hot spot stress correlated to the number of cycles, i.e. the S-N curve, has been used to predict the life of uncracked tubular K-joints. For a cracked tubular K-joint, its remaining service life depends on the fracture parameter called the stress intensity factors (SIFs). Two different methods, namely the displacement extrapolation and J-integral methods, are used to evaluate the SIFs along the crack front for different crack shapes in this study. Convergence tests for numerical analysis have been carried thoroughly to check the accuracy of the computed SIFs. The two sets of numerical results are in complete agreement. To evaluate the accuracy of numerical modeling, a full-scale fatigue test on tubular K-joint subjected to combined axial load and in-plane bending load was conducted. Comparison between the numerical and experimental results again shows a good agreement. Therefore, the proposed modelling and mesh generation methods demonstrate that the estimated stress intensity factors for any tubular K-joints are both accurate and reliable.     

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。     

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。     

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。     

ACPD法测量管节点中疲劳裂纹的增长过程

用交流电势能落差法(ACPD)测量了一个大型K节点在疲劳破坏过程中表面裂纹增长和破坏过程。对于评价管节点疲劳寿命经常使用的一个破坏力学参数———应力强度因子,通过试验数据和Paris公式得到了裂纹在扩展过程中其数值的变化情况。     

空间KK型双弦杆圆钢管搭接节点有限元参数分析与极限承载力计算公式

空间KK型双弦杆圆钢管搭接节点以承载力高、搭接率小以及空间交汇杆件较少的优势应用于空间钢管桁架结构体系。本文采用ANSYS程序中8节点Solid45实体单元对平面和空间圆钢管搭接节点试件进行了非线性有限元分析。在破坏模式、变形过程以及节点极限承载力方面将有限元计算与已有试验结果进行比较,证明运用实体有限元分析法求解节点的极限承载力是一种有效的方法。有限元参数分析重点考察了几何参数和弦杆轴向应力对空间KK型双弦杆圆钢管搭接节点极限承载力的影响。在现有钢结构设计规范的基础上,通过对数值结果的回归分析,得到了该类搭接节点的极限承载力计算公式。研究结果表明:未加劲KK型双弦杆节点的极限承载力略低于未加劲K型单弦杆节点极限承载力,内加劲KK型双弦杆节点的极限承载力明显低于内加劲K型节点极限承载力;内加劲板对平面K型圆钢管搭接节点极限承载力可以起到很好的提高作用,但对空间KK型节点极限承载力提高并不明显。     

Geometrical effect on the stress distribution along weld toe for tubular T- and K-joints under axial loading

This paper presents general remarks of the effect of the geometrical parameters on the stress distribution in the hot spot stress region for tubular T- and K-joints subjected to brace axial loading. As the stress distribution along the weld toe is very critical for the prediction of the fatigue life of steel tubular joints, the investigation of such geometrical effect can provide integrity assessment for tubular T- and K-joints. Previous research work was mostly focused on the study of the value of the peak stress, but ignored the stress distribution principle. Generally, the location of the hot spot stress along the weld toe affects the crack initiation. Accordingly, the stress distribution has critical effect on the propagating way of the fatigue crack. The stress distribution is mainly determined by the loading type and joint geometry. The geometrical effect on the stress distribution for tubular T- and K-joints subjected to axial loading has been investigated from both numerical and experimental methods in this study. Thereafter, a parametric study has also been carried out to investigate the effect of three popularly used joint geometrical parameters on the stress distribution. From parametric study, it has been found that chord thickness has remarkable effect on the stress distribution for both T- and K-joints, while brace thickness has no effect on such stress distribution. The last geometrical parameter, the diameter ratio between the brace and the chord, has different effects on the stress distribution for tubular T- and K-joints.     

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。