方鋼管加強節(jié)點及其桁架結(jié)構(gòu)的承載機理與力學模型研究.pdf

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

2、究。分別對12個方鋼管T型節(jié)點進行軸壓或平面內(nèi)受彎靜力試驗,節(jié)點類型包括未加強節(jié)點、覆板加強節(jié)點、環(huán)口包角覆板加強節(jié)點和縱向插板加強節(jié)點。試驗結(jié)果表明,加強節(jié)點的承載力明顯高于未加強節(jié)點,加強作用的順序為:受壓時覆板>豎向插板>環(huán)口包角覆板,平面內(nèi)受彎時豎向插板>覆板;β=0.4時加強節(jié)點的破壞形態(tài)與對應未加強節(jié)點保持一致,β=0.8的受壓加強節(jié)點出現(xiàn)過度加強,引起節(jié)點破壞形態(tài)發(fā)生變化;加強節(jié)點的軸向受壓或平面內(nèi)受彎剛度較未加強節(jié)點有明

3、顯提高,但尚無法達到全剛性連接。試驗結(jié)果為后續(xù)研究提供可靠的試驗基礎(chǔ)和比較依據(jù),并驗證了有限元模型的適用性。
　　然后本文建立方鋼管加強節(jié)點的有限元模型,通過改變節(jié)點幾何參數(shù)或加強板參數(shù),分別對加強節(jié)點進行各單參數(shù)的影響規(guī)律分析。結(jié)果表明,影響加強節(jié)點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、覆板厚度和屈服強度、插板厚度和長度、環(huán)口包角覆板厚度和屈服強度。基于上述試驗和分析結(jié)果,探討了覆板、豎向插板及環(huán)口包角

4、覆板對節(jié)點靜力加強的承載機理,結(jié)合加強節(jié)點的破壞形態(tài)分析,采用塑性鉸線理論,建立了加強節(jié)點受壓、受拉、平面內(nèi)受彎的承載力計算公式,并設(shè)計正交分析模型校驗計算公式的可靠性,同時給出了方鋼管加強節(jié)點靜力承載的設(shè)計建議。
　　本文還考察了節(jié)點幾何參數(shù)或加強板參數(shù)對節(jié)點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及加強節(jié)點受壓、受拉、平面內(nèi)受彎的初始剛度參數(shù)公式。在節(jié)點的承載力和初始剛度計算的基礎(chǔ)上,以Richard和Abbott

5、的冪函數(shù)模型為參考,建立不考慮強化剛度的方鋼管加強節(jié)點荷載-位移及彎矩-轉(zhuǎn)角非線性模型。隨后,本文將該節(jié)點非線性模型植入桁架結(jié)構(gòu)的桿系分析,建立考慮節(jié)點性能的方鋼管空腹桁架分析模型,通過桁架的靜動力性能分析表明,節(jié)點的非剛性能對空腹桁架整體行為的影響不容忽視,節(jié)點剛接模型會對高估桁架的承載力和剛度;無論加強與否,節(jié)點的幾何參數(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,

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

7、節(jié)點軸向耗能能力和延性的改善效果越明顯;縱向插板加強節(jié)點與環(huán)口包角覆板加強節(jié)點的拉壓對等性較好,而覆板加強節(jié)點的滯回曲線呈現(xiàn)明顯的拉壓不對等特征;平面內(nèi)往復彎曲荷載下,覆板加強和豎向插板加強節(jié)點的承載力及變形能力均高于未加強節(jié)點,但覆板加強節(jié)點的耗能能力及延性均低于未加強節(jié)點。進一步的節(jié)點滯回性能影響因素分析表明,加強節(jié)點的耗能能力均較好,能耗系數(shù)介于2~4之間,耗能能力由大到小的順序為:豎向插板加強節(jié)點>環(huán)口包角覆板加強節(jié)點>覆板加強