圓鋼管相貫節(jié)點非剛性性能及對結(jié)構(gòu)整體行為的影響效應.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。鋼管構(gòu)件之間的連接通常采用相貫節(jié)點型式，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。當相貫節(jié)點受荷載作用后，其相鄰桿件的連接面發(fā)生局部變形，不僅引起相對轉(zhuǎn)動，也產(chǎn)生相對桿軸的位移。這種節(jié)點的非剛性性能將對鋼管結(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?！　A鋼管相貫節(jié)點非剛性靜、動力性能與節(jié)點性能對鋼管結(jié)構(gòu)整體行為的影響

2、效應是本文探討的兩大主題。本文在評述國內(nèi)外本課題相關(guān)領(lǐng)域研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，從理論和試驗兩個方面對這兩大主題進行了多方面的研究?！　∈紫冗M行的是圓鋼管相貫節(jié)點非剛性能靜力試驗研究。分別對2個X型和2個KK型節(jié)點在多種荷載工況組合下的剛度和承載力進行測試，并利用板殼單元對節(jié)點試件進行非線性有限元分析，最后對節(jié)點非剛性靜力性能作出評價。結(jié)果表明，在一定的幾何參數(shù)條件下，相貫節(jié)點在直至相連腹桿達到屈服強度之前，可以作為全剛接抗彎節(jié)點看待。但對

3、全剛接節(jié)點和半剛接節(jié)點的幾何參數(shù)分界值，尚有待于更多試驗數(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)的研究提供了試驗基礎(chǔ)和比較依據(jù)，并校驗了有限元分析的適用性?！　‰S后本文對相貫節(jié)點非剛性能影響參數(shù)的識別與計算進行了系統(tǒng)的分析研究。從對相貫節(jié)點變形機理的描述入手，說明了局部剛度的定義。然后運用正交試驗設(shè)計方法建立計算模型，分別對9個T、Y型節(jié)點和25個K型節(jié)點進行有限元分析，通過多元回歸技術(shù)得到它們的剛度系數(shù)或柔度系數(shù)的計算公式。計算結(jié)果

4、表明，腹桿與弦桿的直徑比、弦桿的徑厚比這兩個因素對圓管相貫節(jié)點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，還通過對現(xiàn)有國內(nèi)外計算公式的總結(jié)比較和基于國際鋼管節(jié)點試驗數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計分析，提出了具有較高精度和可靠性的相貫節(jié)點抗彎承載力計算公式。在此基礎(chǔ)上進一步建立了T型相貫節(jié)點M-θ關(guān)系的全過程非線性模型，以便在鋼管結(jié)構(gòu)的整體分析中考慮節(jié)點的非線性行為?！　≡趶脑囼炑芯亢屠碚撚嬎銉蓚€方面分析了相貫節(jié)點的非剛性特征之后，本文選

5、取空腹格構(gòu)梁為研究對象，采用簡化力學模型分析的手段，從結(jié)構(gòu)整體變形層面上建立了鋼管非剛性節(jié)點剛度判定準則。Warren型鋼管格構(gòu)梁和單層肋環(huán)型球面網(wǎng)殼也是對節(jié)點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)點單元模型，并引入結(jié)構(gòu)整體靜力數(shù)值分析和非線性數(shù)值分析中，考察了節(jié)點性能對結(jié)構(gòu)整體行為的影響效應。計算結(jié)果表明，對于Warren型鋼管格構(gòu)梁，采用鉸接節(jié)點假定確定桿件軸力具有足夠的精確度；相貫節(jié)點的剛度尤其是軸

6、向剛度對桿件的彎矩大小及分布影響較大；采用鉸接節(jié)點假定計算得到的該類結(jié)構(gòu)整體撓度可能小于實際結(jié)構(gòu)的撓度；次應力的影響與桿件軸力的分布有關(guān)。對于單層肋環(huán)型球面網(wǎng)殼，節(jié)點彎曲剛度對結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的影響很大，而節(jié)點軸向剛度對結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性幾乎無影響；節(jié)點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?！　〈送猓疚倪€從構(gòu)件設(shè)計的角度對節(jié)點半剛性鋼管桁架受壓腹桿計算長度進行了探討。在經(jīng)典的剛架彈性穩(wěn)定理論基礎(chǔ)上推導了考慮節(jié)點剛度的四

7、彎矩方程和構(gòu)件群穩(wěn)定方程，并將其應用于鋼管桁架結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明影響半剛性鋼管桁架腹桿計算長度的主要因素是腹桿與弦桿線剛度比和腹桿線剛度與節(jié)點局部剛度比。通過編制計算程序求取了計算長度數(shù)值解，制成了可供設(shè)計使用的計算用表和簡化計算公式。以等節(jié)間Warren型鋼管桁架為例證明了在腹桿計算長度分析中考慮相貫節(jié)點剛度的意義?！　”疚脑囼炑芯康牧硪恢匾糠譃閳A鋼管相貫節(jié)點滯回性能擬靜力試驗，分別進行了節(jié)點在軸力和彎曲荷載作用下滯回性能的測試和分析

8、。從試驗現(xiàn)象出發(fā)，分別根據(jù)節(jié)點承載力、剛度、延性和能量耗散等抗震性能指標對荷載一位移滯回曲線進行了綜合分析和對比，探求了節(jié)點在反復荷載下的破壞機理。試驗結(jié)果表明，節(jié)點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)開裂以及腹桿壓力荷載作用下的弦桿塑性軟化等三種類型；節(jié)點在彎矩作用下的破壞模式表現(xiàn)為焊縫開裂、沖剪破壞以及腹桿根部彈塑性斷裂等三種類型。節(jié)點在軸力和彎曲荷載作用下的滯回曲線均表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，無捏

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)點承載效率均小于1，即節(jié)點本身需通過塑性變形來耗能，結(jié)構(gòu)的滯回特性將主要取決于節(jié)點部位的滯回特性；彎曲滯回性能試件的節(jié)點承載效率均大于1，即節(jié)點自身具有足夠的承載力來使塑性鉸形成在被連接構(gòu)件上。本文還對相貫節(jié)點局部變形的精確測試方法和焊縫抗彎承載力的計算提出了建議?！　≡谟迷囼灲Y(jié)果進行校驗的基礎(chǔ)上，本文采用數(shù)值模擬方法對相貫節(jié)點的應力分布規(guī)律、單調(diào)彈塑性行為和滯回特性進行了深入的研究