圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)非剛性性能及對(duì)結(jié)構(gòu)整體行為的影響效應(yīng).pdf

1、鋼管是大跨度公共建筑、中高層建筑中廣泛采用的構(gòu)件型式。鋼管結(jié)構(gòu)與其他鋼結(jié)構(gòu)的重要不同在于管與管連接的設(shè)計(jì)。鋼管構(gòu)件之間的連接通常采用相貫節(jié)點(diǎn)型式，即將一構(gòu)件直接焊于另一構(gòu)件的表面，不設(shè)任何加勁單元。當(dāng)相貫節(jié)點(diǎn)受荷載作用后，其相鄰桿件的連接面發(fā)生局部變形，不僅引起相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，也產(chǎn)生相對(duì)桿軸的位移。這種節(jié)點(diǎn)的非剛性性能將對(duì)鋼管結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形以及整體穩(wěn)定承載力等產(chǎn)生影響。　　圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)非剛性靜、動(dòng)力性能與節(jié)點(diǎn)性能對(duì)鋼管結(jié)構(gòu)整體行為的影響

2、效應(yīng)是本文探討的兩大主題。本文在評(píng)述國(guó)內(nèi)外本課題相關(guān)領(lǐng)域研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，從理論和試驗(yàn)兩個(gè)方面對(duì)這兩大主題進(jìn)行了多方面的研究?！　∈紫冗M(jìn)行的是圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)非剛性能靜力試驗(yàn)研究。分別對(duì)2個(gè)X型和2個(gè)KK型節(jié)點(diǎn)在多種荷載工況組合下的剛度和承載力進(jìn)行測(cè)試，并利用板殼單元對(duì)節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行非線(xiàn)性有限元分析，最后對(duì)節(jié)點(diǎn)非剛性靜力性能作出評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，在一定的幾何參數(shù)條件下，相貫節(jié)點(diǎn)在直至相連腹桿達(dá)到屈服強(qiáng)度之前，可以作為全剛接抗彎節(jié)點(diǎn)看待。但對(duì)

3、全剛接節(jié)點(diǎn)和半剛接節(jié)點(diǎn)的幾何參數(shù)分界值，尚有待于更多試驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值分析數(shù)據(jù)的歸納。此章為后續(xù)章節(jié)的研究提供了試驗(yàn)基礎(chǔ)和比較依據(jù)，并校驗(yàn)了有限元分析的適用性?！　‰S后本文對(duì)相貫節(jié)點(diǎn)非剛性能影響參數(shù)的識(shí)別與計(jì)算進(jìn)行了系統(tǒng)的分析研究。從對(duì)相貫節(jié)點(diǎn)變形機(jī)理的描述入手，說(shuō)明了局部剛度的定義。然后運(yùn)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法建立計(jì)算模型，分別對(duì)9個(gè)T、Y型節(jié)點(diǎn)和25個(gè)K型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析，通過(guò)多元回歸技術(shù)得到它們的剛度系數(shù)或柔度系數(shù)的計(jì)算公式。計(jì)算結(jié)果

4、表明，腹桿與弦桿的直徑比、弦桿的徑厚比這兩個(gè)因素對(duì)圓管相貫節(jié)點(diǎn)的剛度有比較顯著的影響，而腹桿與弦桿的壁厚比影響較小。此外，還通過(guò)對(duì)現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外計(jì)算公式的總結(jié)比較和基于國(guó)際鋼管節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的統(tǒng)計(jì)分析，提出了具有較高精度和可靠性的相貫節(jié)點(diǎn)抗彎承載力計(jì)算公式。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步建立了T型相貫節(jié)點(diǎn)M-θ關(guān)系的全過(guò)程非線(xiàn)性模型，以便在鋼管結(jié)構(gòu)的整體分析中考慮節(jié)點(diǎn)的非線(xiàn)性行為?！　≡趶脑囼?yàn)研究和理論計(jì)算兩個(gè)方面分析了相貫節(jié)點(diǎn)的非剛性特征之后，本文選

5、取空腹格構(gòu)梁為研究對(duì)象，采用簡(jiǎn)化力學(xué)模型分析的手段，從結(jié)構(gòu)整體變形層面上建立了鋼管非剛性節(jié)點(diǎn)剛度判定準(zhǔn)則。Warren型鋼管格構(gòu)梁和單層肋環(huán)型球面網(wǎng)殼也是對(duì)節(jié)點(diǎn)剛度具有較大敏感性的鋼管結(jié)構(gòu)，本文根據(jù)其不同的特性建立了不同的非剛性節(jié)點(diǎn)單元模型，并引入結(jié)構(gòu)整體靜力數(shù)值分析和非線(xiàn)性數(shù)值分析中，考察了節(jié)點(diǎn)性能對(duì)結(jié)構(gòu)整體行為的影響效應(yīng)。計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于Warren型鋼管格構(gòu)梁，采用鉸接節(jié)點(diǎn)假定確定桿件軸力具有足夠的精確度；相貫節(jié)點(diǎn)的剛度尤其是軸

6、向剛度對(duì)桿件的彎矩大小及分布影響較大；采用鉸接節(jié)點(diǎn)假定計(jì)算得到的該類(lèi)結(jié)構(gòu)整體撓度可能小于實(shí)際結(jié)構(gòu)的撓度；次應(yīng)力的影響與桿件軸力的分布有關(guān)。對(duì)于單層肋環(huán)型球面網(wǎng)殼，節(jié)點(diǎn)彎曲剛度對(duì)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的影響很大，而節(jié)點(diǎn)軸向剛度對(duì)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性幾乎無(wú)影響；節(jié)點(diǎn)彎曲剛度比和徑向桿件跨高比是影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定承載力的關(guān)鍵因素。　　此外，本文還從構(gòu)件設(shè)計(jì)的角度對(duì)節(jié)點(diǎn)半剛性鋼管桁架受壓腹桿計(jì)算長(zhǎng)度進(jìn)行了探討。在經(jīng)典的剛架彈性穩(wěn)定理論基礎(chǔ)上推導(dǎo)了考慮節(jié)點(diǎn)剛度的四

7、彎矩方程和構(gòu)件群穩(wěn)定方程，并將其應(yīng)用于鋼管桁架結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明影響半剛性鋼管桁架腹桿計(jì)算長(zhǎng)度的主要因素是腹桿與弦桿線(xiàn)剛度比和腹桿線(xiàn)剛度與節(jié)點(diǎn)局部剛度比。通過(guò)編制計(jì)算程序求取了計(jì)算長(zhǎng)度數(shù)值解，制成了可供設(shè)計(jì)使用的計(jì)算用表和簡(jiǎn)化計(jì)算公式。以等節(jié)間Warren型鋼管桁架為例證明了在腹桿計(jì)算長(zhǎng)度分析中考慮相貫節(jié)點(diǎn)剛度的意義?！　”疚脑囼?yàn)研究的另一重要部分為圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)滯回性能擬靜力試驗(yàn)，分別進(jìn)行了節(jié)點(diǎn)在軸力和彎曲荷載作用下滯回性能的測(cè)試和分析

8、。從試驗(yàn)現(xiàn)象出發(fā)，分別根據(jù)節(jié)點(diǎn)承載力、剛度、延性和能量耗散等抗震性能指標(biāo)對(duì)荷載一位移滯回曲線(xiàn)進(jìn)行了綜合分析和對(duì)比，探求了節(jié)點(diǎn)在反復(fù)荷載下的破壞機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)在軸力作用下的破壞模式表現(xiàn)為腹桿拉力作用下的弦桿塑性軟化、弦桿焊趾或熱影響區(qū)開(kāi)裂以及腹桿壓力荷載作用下的弦桿塑性軟化等三種類(lèi)型；節(jié)點(diǎn)在彎矩作用下的破壞模式表現(xiàn)為焊縫開(kāi)裂、沖剪破壞以及腹桿根部彈塑性斷裂等三種類(lèi)型。節(jié)點(diǎn)在軸力和彎曲荷載作用下的滯回曲線(xiàn)均表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，無(wú)捏

9、攏現(xiàn)象，變形能力與耗能性能良好。軸向滯回性能試件的節(jié)點(diǎn)承載效率均小于1，即節(jié)點(diǎn)本身需通過(guò)塑性變形來(lái)耗能，結(jié)構(gòu)的滯回特性將主要取決于節(jié)點(diǎn)部位的滯回特性；彎曲滯回性能試件的節(jié)點(diǎn)承載效率均大于1，即節(jié)點(diǎn)自身具有足夠的承載力來(lái)使塑性鉸形成在被連接構(gòu)件上。本文還對(duì)相貫節(jié)點(diǎn)局部變形的精確測(cè)試方法和焊縫抗彎承載力的計(jì)算提出了建議?！　≡谟迷囼?yàn)結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本文采用數(shù)值模擬方法對(duì)相貫節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布規(guī)律、單調(diào)彈塑性行為和滯回特性進(jìn)行了深入的研究