轻质高强方钢管轻骨料混凝土加劲X形节点构造和承载力研究

为研制轻质高强桁架节点构造及其承载力,对Q345B方钢管轻骨料混凝土加劲X形节点和基本型节点进行了静力加载试验,考察了支主管间设置加劲板和支主管内浇灌轻骨料混凝土对节点破坏模式和承载力的影响。试验结果表明：加劲节点的破坏模式有加劲板与剪压支管焊缝开裂、剪压支管翼板被加劲板拉开、剪压支管在靠近加劲板外端截面剪压破坏;基本型节点的破坏模式为支主管焊缝开裂;支主管间设置的加劲板明显推迟了节点的屈服和断裂进程,支主管内浇灌轻骨料混凝土有效防止了方钢管屈曲,显著提高了节点承载力,加劲节点的焊缝开裂荷载和极限承载力较基本型节点分别提高63.3%和18.3%。根据加劲X形节点试验破坏模式,推导了考虑加劲板应力传递和扩散效应的方钢管轻骨料混凝土加劲X形节点的加劲板与剪压支管焊缝开裂、剪压支管翼板拉开、剪压支管剪压破坏的力学计算模型和承载力计算式。建议的加劲X形节点的承载力计算式的计算误差为-27.8%～+3.7%。     

碳素方钢管腹板屈曲性能试验研究

对碳素方钢管在集中荷载作用下的腹板屈曲性能进行单调加载的试验研究。实施50个不同边界条件、加载条件、支承板宽度和截面高度的碳素方钢管试件的腹板屈曲性能试验。介绍了碳素方钢管腹板屈曲试验方案,描述了碳素方钢管在端部和内部集中荷载作用下的破坏模式,给出荷载-端位移曲线以及腹板区域应变强度分布曲线,并将边界条件、加载条件、支承板宽度和截面高度对碳素方钢管腹板屈曲极限承载力和延性的影响进行讨论。试验研究结果表明:碳素方钢管腹板屈曲极限承载力随着支承板宽度的增大而增大;当支承板宽度为50mm和100mm时,腹板高厚比为18时极限承载力达到最大;当支承板宽度为150mm时,腹板高厚比为12.55时腹板屈曲极限承载力达到最大;腹板高厚比为24.67时达到腹板屈曲极限承载力的最小值。受压腹板中部应变测点全部进入塑性并最终形成塑性铰区域。内部一侧翼缘加载(IOF)的极限承载力最高,内部两侧翼缘加载(ITF)的极限承载力次之,端部一侧翼缘加载(EOF)和端部两侧翼缘加载(ETF)的极限承载力最低。有限元方法较好地模拟了试验破坏模式和极限承载力。采用中国钢结构设计规范的碳素方钢管腹板屈曲极限承载力计算值远大于其腹板屈曲极限承载力试验值,中国钢结构设计规范用于腹板屈曲承载力的计算偏于危险;采用欧洲钢结构设计规范的碳素方钢管腹板屈曲极限承载力计算值又远小于其腹板屈曲极限承载力试验值,欧洲钢结构设计规范用于腹板屈曲承载力的计算偏保守。提出的碳素方钢管腹板屈曲极限承载力计算公式则较好地预测了试验值。     

贯穿式加劲肋对螺栓连接钢管节点轴压承载力影响的试验研究

各国现行钢结构规范中,对螺栓连接钢管节点的极限承载力均未提及具体的构造措施及计算方法。通过对8个带加劲肋的螺栓连接钢管节点试件进行了单轴受压承载力试验研究,探讨了该类节点在单轴受压条件下的承载力-变形曲线和破坏模式,并对环板、主管及支管的应力-应变情况进行了分析。研究表明:仅通过单轴试验就推出所有破坏模式过于武断,建议限定说明,使其更合理;采用环板、十字连接板对支管与主管进行螺栓连接并设置加劲肋的钢管节点,其破坏模式为环板局部面外失稳,设置加劲肋能有效抑制整体的面外失稳;其次,加劲肋板贯穿主管可以提高节点的整体刚度和极限承载力,且施工方便,是值得采用的节点设计方法之一。     

方钢管混凝土柱-钢梁节点参数分析

在合理选择材料本构关系、破坏准则的基础上,采用通用有限元软件ANSYS对方钢管混凝土柱-钢梁竖向加劲板式足尺节点进行了非线性有限元参数分析。探讨了在单调荷载和低周反复荷载作用下,轴压比、混凝土强度等级对方钢管混凝土柱-钢梁竖向加劲板式节点的受力性能影响。结果表明：随着轴压比的增大,节点承载力、耗能能力和延性呈下降趋势;混凝土强度等级的变化对节点极限承载力、耗能能力和延性影响较小。     

钢管混凝土组合节点的抗震性能及其影响因素研究

为研究钢管混凝土柱节点的抗震性能及其影响因素,采取柱端加载模式进行了4组钢管混凝土柱单边螺栓端板连接节点的拟静力加载试验,考察了柱截面空心率和端板连接形式对节点破坏模式、柱端载荷-位移滞回曲线、弯矩-转角关系曲线和耗能能力的影响。结果表明,平齐端板连接和外伸端板连接节点试件的破坏模式基本相同,都包含端板屈曲变形、M16螺栓出现部分滑移、梁端翼缘屈曲变形、局部栓钉剪切破坏、楼板柱根部出现裂缝和柱边混凝土破坏的过程;平齐端板和外伸端板连接节点试件,在加载过程中都未出现屈曲变形或者破坏,说明钢管混凝土柱在较大侧向位移作用下,具有较好的抵御撕裂和屈曲变形的能力;在相同空心率条件下,平齐端板连接节点柱边缘的裂缝相较于外伸端板连接节点试件更少,外伸端板连接节点试件的极限承载力、耗能能力、正向载荷和负向载荷作用下的极限承载力和初始刚度、正弯矩和负弯矩作用下的抗弯承载力和初始转动刚度要高于平齐端板连接节点试件;在相同端板连接条件下,空心率较低的节点试件的极限承载力、耗能能力、正向载荷和负向载荷作用下的极限承载力和初始刚度、正弯矩和负弯矩作用下的抗弯承载力和初始转动刚度要高于空心率较高的节点试件。在极限状态下,4种节点试件的等效粘滞阻尼系数ξ_c都保持在0. 204～0. 235之间,耗能能力优于钢筋混凝土柱节点,并与钢管混凝土柱外加强环节点的耗能能力相当,4种节点试件具有较强的耗能能力。     

方钢管混凝土柱-钢梁竖向加劲板式节点参数分析

在合理选择材料本构关系、破坏准则的基础上,采用通用有限元软件ANSYS对方钢管混凝土柱-钢梁竖向加劲板式足尺节点进行非线性有限元参数分析。探讨在单调荷载作用下,竖向加劲板的长度和高度、梁翼缘斜率对方钢管混凝土柱-钢梁竖向加劲板式节点的受力性能影响。结果表明:加劲板的长度和高度对节点的承载力、延性的影响明显;加劲板高度Hs应大于梁宽,但宜不大于梁宽的1.2倍;梁翼缘斜率ctanα建议取3≤ctanα≤4为宜。     

圆钢管混凝土K型焊接管板节点受力性能试验

为研究格构式钢管混凝土风力发电机塔架K型焊接管板节点的受力性能,进行了4个圆钢管混凝土K型焊接管板节点的单调静力加载试验和1个空心圆钢管K型焊接管板节点的对比试验,探讨了该类节点的破坏模式、极限承载力以及节点区应力分布和发展规律,研究了各试验参数对节点受力性能的影响。试验结果表明:塔柱内混凝土的填充使得焊接管板节点的破坏模式由节点交汇处塔柱管壁塑性变形失效转变为节点板失效和腹杆失效;节点的极限承载力大幅增加,变形减小;节点几何参数和构造参数的变化对试件受力性能的影响较大;当节点板中部设置加劲肋时,节点的承载力提高,节点板平面外失稳得以避免;当节点极限承载力由腹杆屈曲或屈服承载力控制时,在一定范围内随着腹杆与塔柱管径比和壁厚比的增加,节点的承载力提高。     

鞍板和环板加劲K形相贯节点承载力试验研究

为研究采用节点板、鞍板、环板加劲的K形相贯节点的受力特性,设计并制作了11个节点试件开展比例加载试验研究,得到其变形、应力分布及破坏模式等受力性能。利用经试验验证的有限元模型,分析了加劲组件和钢管参数对该类加劲相贯节点承载力的影响,并给出了受荷节点的力学模型。有限元分析和试验结果表明,该节点表现出无加劲相贯节点和带鞍板的管-板节点的受力特征,加劲构造能有效提高节点承载力。参数敏感性分析结果表明,增加支管和主管直径比、主管厚度、节点板长度和扇形鞍板圆心角可提高节点极限承载力。给出了极限承载力简化计算方法,计算结果和有限元分析及试验结果吻合较好。     

设分配梁与内环板传力构造的巨型钢管混凝土柱抗震性能试验研究

针对7个按1∶5缩尺的设置分配梁加内环板传力构造的巨型钢管混凝土柱试件进行拟静力试验研究,考察了轴压比、长细比、管壁宽厚比及纵向T形加劲肋等因素对此类构件抗震新能的影响。研究结果表明,管壁宽厚比大于60的试件,在达到极限荷载之前（约为极限荷载的63%）发生管壁局部屈曲,延性较差;设置T形加劲肋可有效减小管壁宽厚比,提高管壁局部屈曲强度,改善试件的延性性能及耗能能力;试件位移延性系数随轴压比和试件长细比的增大而降低,刚度退化越明显;在低周反复荷载作用下,同时设置分配梁与内环板传力构造的钢管混凝土柱试件破坏时的位移角超过了规范规定的弹塑性层间位移角限值,满足抗震设计要求,且钢管与核心混凝土变形协调,相应的截面属性和压弯承载力可按平截面假定计算。     

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。     

主管中灌混凝土平面X形圆钢管混凝土节点平面内抗弯性能试验研究

对主管中灌混凝土平面X形圆钢管混凝土节点在支管平面内弯矩作用下的极限承载性能进行单调加载的试验研究。实施6个不同截面几何参数的主管中灌混凝土平面X形圆钢管混凝土节点平面内抗弯极限承载力试验。介绍了节点试验方案,描述了X形圆钢管混凝土节点平面内弯曲破坏现象,给出荷载-支管端位移曲线、弯矩-主管局部变形曲线、弯矩-转角曲线以及节点区域应变强度分布曲线,并将支主管外径比β、主管径厚比γ和支主管壁厚比τ对节点平面内抗弯极限承载力和平面内抗弯刚度的影响进行讨论。试验研究结果表明:主管灌混凝土后并没有在主管中形成明显的刚域;在一定参数条件下,主管中灌混凝土的X形圆钢管混凝土节点平面内受弯极限承载力、抗弯刚度均随着β、τ值的增加和γ值的减小而提高;各试件在最大弯矩作用下,所有试件的支管根部测点都进入塑性,主管上大部分测点保持弹性状态;主管中灌混凝土对圆钢管节点平面内抗弯极限承载力有一定的提高,在一定参数条件下提高甚至达到48%,但若实际工程中取欧洲规范弯矩值与支管全截面塑性弯矩值中的最小者计算节点抗弯承载力,在一定的钢管几何参数下不一定是安全的,需要进行深入的有限元参数分析。     

方钢管混凝土框架-十字加劲薄钢板剪力墙抗震性能试验研究

对3个单跨两层1∶3比例的方钢管混凝土框架-薄钢板剪力墙试件进行了低周反复荷载试验,研究了十字加劲薄钢板剪力墙的抗震性能,并与方钢管混凝土框架-非加劲薄钢板剪力墙比较。对比了框架梁柱内隔板式节点与穿芯高强螺栓-端板节点对结构性能的影响。得到了方钢管混凝土框架-薄钢板剪力墙的破坏形态、荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、特征荷载和位移及抗震性能指标等,分析了结构的破坏特征、延性、耗能能力、承载能力及刚度退化等力学性能。结果表明,方钢管混凝土框架-薄钢板剪力墙具有良好的抗震性能;十字加劲肋限制了薄钢板剪力墙的面外变形,提高了其承载力与耗能能力,但对整体刚度影响较小;穿芯高强螺栓-端板节点提高了结构的承载力与刚度。     

弯-剪-扭耦合荷载作用下钢管混凝土短柱受力性能研究

为研究钢管混凝土短柱在剪切和扭转复合作用下的受力性能,开展了10个钢管混凝土短柱试件在纯扭、弯-剪和弯-剪-扭荷载作用下的拟静力往复加载及单调加载试验,得到了钢管混凝土短柱的荷载-变形曲线和钢管应变分布规律。试验结果表明：钢管混凝土短柱具有良好的承载能力和塑性性能;在纯扭作用下,圆形钢管混凝土短柱在往复扭转荷载作用下钢管发生低周疲劳破坏;方形钢管混凝土短柱在单调及往复扭转荷载作用下钢管面外发生斜向局部屈曲;纯扭往复荷载作用下的钢管混凝土柱的荷载-变形骨架曲线与单调加载下基本一致;在弯-剪及弯-剪-扭复合荷载作用下,在进入塑性工作阶段前截面的轴向变形基本满足“平截面假定”;在弯-剪-扭耦合荷载作用下,短柱的破坏模式取决于弯扭比,在弯扭比较大（为1.90）时,其类似于弯剪破坏,在弯扭比较小（为0.96）时,其类似于扭转破坏。在有限元模拟及大量参数分析的基础上,得到了钢管混凝土短柱的弯-剪-扭承载力相关方程,承载力计算结果与有限元分析结果吻合较好。     

钢管混凝土桁架新型节点试验研究

对6个圆形钢管节点板式节点和6个钢管混凝土节点板式节点进行了对比试验研究。试验结果表明:空钢管试件在达到极限荷载时,节点板下空钢管发生严重局部屈曲而丧失承载力;钢管混凝土节点则在节点板下只发生轻微局部屈曲现象,具有较高的承载力。相比之下,钢管混凝土的承载力明显高于空钢管的承载力,并具有更好的延性性能。在钢管混凝土桁架中采用节点板式节点可比相贯节点更加方便、可靠。     

钢管混凝土T型节点板有限元模拟研究

应用非线性有限元分析钢管混凝土T型节点板节点的性能.建立钢管混凝土T型节点板节点的有限元模型,模型考虑了焊缝尺寸、混凝土和钢管界面关系.分析计算了荷载作用下节点的应力分布,破坏模式和极限承载力,与试验结果比较证明了模型的可靠性.     

T形钢管混凝土柱-混凝土梁外加强环板式节点抗震性能正交试验研究

对18个T形钢管混凝土柱-混凝土梁外加强环板式节点采用有限元与正交试验法相结合的方式进行抗震性能研究。结果表明,节点的裂缝发展经历初裂、通裂、极限、破坏四个过程;牛腿在梁端荷载的传递过程中起到桥梁作用;最终以牛腿与梁交界处形成塑性铰而破坏,符合"强节点弱构件"的抗震设计思想。对节点极限承载力、位移延性系数以及能量耗散系数三个性能指标影响最为显著的因素均为框架梁配筋率。框架梁混凝土强度等级的提高可以提高节点极限承载力,但是增幅过大不利于节点抗震性能,所以工程设计时应合理地选择框架梁混凝土强度等级。     

PBL加劲型方钢管混凝土外隔板式节点#br# 受拉性能试验研究

为得到新型PBL加劲型方钢管混凝土外隔板式框架节点的受拉性能、并初步验证其抗震性能，开展了6个方钢管混凝土节点试件的受拉试验，试件类型包括普通方钢管混凝土节点、普通方钢管混凝土外隔板式节点、新型的PBL加劲型方钢管混凝土外隔板式节点以及去除外隔板后的PBL加劲型方钢管混凝土节点。通过对比分析各试件的破坏特征、初始刚度、屈服和极限荷载、变形组成、支板或隔板应变与应力分布，着重研究了PBL纵肋的设置对新型节点受拉性能的改善，以及去除外隔板对新型节点受拉性能的影响。研究结果表明：相较于普通方钢管混凝土节点和普通方钢管混凝土外隔板式节点试件，PBL加劲型方钢管混凝土外隔板式节点试件由于同时设置了外隔板和PBL纵肋，因此其在拉力作用下不仅初始刚度、屈服荷载和极限荷载得到大幅度提升，而且节点区域的变形集中得到了明显的缓解，节点附近的应变和应力分布变得更加均匀。因此，新型框架节点具有优越的传递钢梁翼缘拉力的能力，可以实现地震作用下的梁端屈服破坏模式，应具有优越的抗震性能。而在新型节点的基础上去掉外隔板后，试件的初始刚度、屈服和极限荷载、节点区域附近的应变和应力分布均匀程度均有一定程度的降低，即其传递钢梁翼缘拉力的能力有所降低。该文研究成果可为进一步开展新型节点的受拉承载力计算方法、节点抗震性能的研究奠定基础。     

不同腔体构造矩形截面钢管混凝土柱轴压性能试验研究

为研究多腔体钢管混凝土巨型柱腔体构造措施对其轴压性能的影响,以北京中国尊大厦巨型柱截面长轴两端受力较大的矩形截面腔体为原型,进行了6个不同腔体构造措施1/4缩尺的矩形钢管混凝土柱轴压性能试验。采用竖向重复加载,研究了各试件的破坏过程、荷载 位移曲线、承载力、耗能、刚度退化和应变,分析了腔体内加设竖向加劲肋、水平拉结筋、栓钉、横隔板、钢筋骨架等构造措施对试件轴压性能的影响。提出了不同腔体构造措施矩形截面钢管混凝土柱的承载力计算方法,其计算结果与试验结果符合较好。对试件轴压性能进行了有限元模拟,有限元模拟损伤形态和分析结果与试验结果符合较好,并分析了不同腔体构造参数对其轴压性能的影响。研究表明：腔体内设置竖向加劲肋,可分担轴力,延缓钢管屈曲,增强对混凝土的约束,提高构件刚度、承载力和延性;竖向加劲肋间设置拉结钢筋,极限荷载后,可增强钢管对混凝土的约束,延缓钢管混凝土柱轴压性能退化;腔体内设置栓钉,极限荷载后,可增强钢管与混凝土共同工作性能,延缓其后期性能退化;腔体内设置横隔板,其与钢管共同工作,可提高对混凝土的空间约束,显著提高柱的承载力,延缓其刚度退化,总耗能能力增强;腔体内设置钢筋骨架,可进一步加强对各钢筋笼内混凝土的约束,延缓柱的极限荷载后的性能退化,提高延性。     

复式钢管混凝土柱与H形钢梁连接节点抗震性能试验研究

借鉴方钢管混凝土柱-钢梁外肋环板节点形式,将非梁柱连接面的柱两侧外肋环板改为竖贴于柱侧的竖向肋板并伸出与梁翼缘焊接,同时设置锚固腹板,形成复式钢管混凝土柱与H形钢梁连接节点。通过7个梁柱组合体试件的低周反复荷载试验,分析各试件的破坏过程及特征,并对试件的滞回性能、承载力、延性、耗能能力和承载力及刚度退化等抗震性能进行研究。研究结果表明：节点的破坏形态基本相同,梁端先屈曲,形成塑性铰;锚固腹板可有效提高节点的承载力和变形能力;竖向肋板外伸长度可提高试件的初始刚度,使梁端塑性铰外移,有效保护节点核心区;试件的滞回曲线呈明显的梭形,具有良好的承载力、延性及耗能能力;试件在整个加载过程中刚度退化现象明显,承载力退化很小,可应用于抗震设防地区。     

钢管混凝土柱-预应力梁节点抗剪性能研究

为研究钢管混凝土柱-预应力混凝土梁节点的抗剪受力性能,进行了单调对称的静力试验。对节点的荷载-位移曲线以及荷载-钢筋应变关系进行了分析,结果表明:该类节点的整体抗裂性能好、刚度大、挠度小,有充足的抗剪承载力。当在大荷载作用下,预应力梁发生剪切破坏时,节点核心区并未发生破坏。有限元分析结果与试验结果吻合较好。