方鋼管加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)及其桁架結(jié)構(gòu)的承載機(jī)理與力學(xué)模型研究.pdf

1、隨著鋼管結(jié)構(gòu)的跨度越來越大,結(jié)構(gòu)型式越來越復(fù)雜,節(jié)點(diǎn)的局部加強(qiáng)作為保證結(jié)構(gòu)安全承載的常用手段,在實(shí)際工程中的應(yīng)用日漸增多。本文在查閱國內(nèi)外工程背景及最新研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上,確定以方鋼管加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象,采用試驗(yàn)研究、有限元分析和理論分析等方法,開展加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)靜力承載性能、抗震滯回性能以及節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)方鋼管空腹桁架整體行為的影響效應(yīng)研究,為方鋼管加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的工程應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。
　　首先進(jìn)行了方鋼管加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)靜力承載性能的物理試驗(yàn)研

2、究。分別對(duì)12個(gè)方鋼管T型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行軸壓或平面內(nèi)受彎靜力試驗(yàn),節(jié)點(diǎn)類型包括未加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、覆板加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、環(huán)口包角覆板加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)和縱向插板加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的承載力明顯高于未加強(qiáng)節(jié)點(diǎn),加強(qiáng)作用的順序?yàn)?受壓時(shí)覆板>豎向插板>環(huán)口包角覆板,平面內(nèi)受彎時(shí)豎向插板>覆板;β=0.4時(shí)加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)與對(duì)應(yīng)未加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)保持一致,β=0.8的受壓加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)過度加強(qiáng),引起節(jié)點(diǎn)破壞形態(tài)發(fā)生變化;加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的軸向受壓或平面內(nèi)受彎剛度較未加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)有明

3、顯提高,但尚無法達(dá)到全剛性連接。試驗(yàn)結(jié)果為后續(xù)研究提供可靠的試驗(yàn)基礎(chǔ)和比較依據(jù),并驗(yàn)證了有限元模型的適用性。
　　然后本文建立方鋼管加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的有限元模型,通過改變節(jié)點(diǎn)幾何參數(shù)或加強(qiáng)板參數(shù),分別對(duì)加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行各單參數(shù)的影響規(guī)律分析。結(jié)果表明,影響加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)靜力性能的主要因素為:支管-主管寬度比、主管寬厚比、支管高寬比、覆板厚度和屈服強(qiáng)度、插板厚度和長度、環(huán)口包角覆板厚度和屈服強(qiáng)度?；谏鲜鲈囼?yàn)和分析結(jié)果,探討了覆板、豎向插板及環(huán)口包角

4、覆板對(duì)節(jié)點(diǎn)靜力加強(qiáng)的承載機(jī)理,結(jié)合加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)分析,采用塑性鉸線理論,建立了加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)受壓、受拉、平面內(nèi)受彎的承載力計(jì)算公式,并設(shè)計(jì)正交分析模型校驗(yàn)計(jì)算公式的可靠性,同時(shí)給出了方鋼管加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)靜力承載的設(shè)計(jì)建議。
　　本文還考察了節(jié)點(diǎn)幾何參數(shù)或加強(qiáng)板參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)初始彈性剛度的影響規(guī)律,并通過多元回歸分析建立未加強(qiáng)及加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)受壓、受拉、平面內(nèi)受彎的初始剛度參數(shù)公式。在節(jié)點(diǎn)的承載力和初始剛度計(jì)算的基礎(chǔ)上,以Richard和Abbott

5、的冪函數(shù)模型為參考,建立不考慮強(qiáng)化剛度的方鋼管加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)荷載-位移及彎矩-轉(zhuǎn)角非線性模型。隨后,本文將該節(jié)點(diǎn)非線性模型植入桁架結(jié)構(gòu)的桿系分析,建立考慮節(jié)點(diǎn)性能的方鋼管空腹桁架分析模型,通過桁架的靜動(dòng)力性能分析表明,節(jié)點(diǎn)的非剛性能對(duì)空腹桁架整體行為的影響不容忽視,節(jié)點(diǎn)剛接模型會(huì)對(duì)高估桁架的承載力和剛度;無論加強(qiáng)與否,節(jié)點(diǎn)的幾何參數(shù)如:弦桿寬厚比、腹桿-弦桿寬度比及腹桿高寬比對(duì)桁架整體性能均有較大影響,其中提高腹桿-弦桿寬度比或腹桿高寬比時(shí),

6、桁架承載力和剛度提高最明顯;節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)的空腹桁架承載力、剛度及自振頻率均較未加強(qiáng)桁架有明顯提高,其中加強(qiáng)方法和加強(qiáng)位置的改變對(duì)桁架整體行為影響較大,加強(qiáng)板尺寸的影響很小。
　　此外,本文還對(duì)方鋼管加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的滯回性能進(jìn)行研究。對(duì)11個(gè)未加強(qiáng)、覆板加強(qiáng)、環(huán)口包角覆板加強(qiáng)或縱向插板加強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行軸向或平面內(nèi)彎曲往復(fù)加載試驗(yàn)。結(jié)果表明,加強(qiáng)處理對(duì)軸向往復(fù)節(jié)點(diǎn)的耗能機(jī)制及破壞形態(tài)影響較大,對(duì)彎曲節(jié)點(diǎn)的影響較小;支管-主管寬度比越大,加強(qiáng)處理對(duì)

7、節(jié)點(diǎn)軸向耗能能力和延性的改善效果越明顯;縱向插板加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)與環(huán)口包角覆板加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的拉壓對(duì)等性較好,而覆板加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的滯回曲線呈現(xiàn)明顯的拉壓不對(duì)等特征;平面內(nèi)往復(fù)彎曲荷載下,覆板加強(qiáng)和豎向插板加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的承載力及變形能力均高于未加強(qiáng)節(jié)點(diǎn),但覆板加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的耗能能力及延性均低于未加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)。進(jìn)一步的節(jié)點(diǎn)滯回性能影響因素分析表明,加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的耗能能力均較好,能耗系數(shù)介于2~4之間,耗能能力由大到小的順序?yàn)?豎向插板加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)>環(huán)口包角覆板加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)>覆板加強(qiáng)