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圆钢管混凝土T型相贯节点动力性能试验和理论研究

陈娟  
【摘要】:随着钢管结构的广泛应用,节点承受的荷载越来越大。为了保障相贯节点的强度,往往需要对相贯节点进行加强,在主管中填充混凝土是一种有效的加强手段。然而目前对圆钢管混凝土T型相贯节点的动力性能还缺乏相关的研究。 本文采用模型试验、有限元模拟和理论分析相结合的手段对圆钢管混凝土T型相贯节点的动力性能进行了系统深入的研究。 应力集中系数是评价节点疲劳寿命的重要参数,本文对5个圆钢管混凝土T型相贯节点和3个圆钢管T型相贯节点在轴向拉力、压力和平面内弯矩作用下的应力集中系数进行了试验研究,对比钢管节点,钢管混凝土节点的应力集中系数明显减小。试验还研究了主管轴压比对节点应力集中系数的影响。对试验节点建立了精确的有限元模型,提出这种精确模型可以用来预测钢管混凝土相贯节点的应力集中系数。通过与试验对比,发现现有的规范和理论公式都不适用于钢管混凝土相贯节点应力集中系数的计算。在此基本上,提出了基于等效壁厚原理的圆钢管混凝土T型相贯节点应力集中系数的计算方法,该方法根据不同的荷载类型采用不同的等效原则,可以准确的预测圆钢管混凝土T型相贯节点的应力集中系数。 随后对圆钢管混凝土T型相贯节点的抗震性能进行了试验研究,共进行了6个T型节点试验(包括1个圆钢管T型相贯节点)在轴向荷载作用下的拟静力试验,和5个T型节点试验(包括2个圆钢管T型相贯节点)在平面内弯矩作用下的拟静力试验。研究内容包括节点的强度、刚度、延性和耗能能力等。试验结果表明,圆钢管混凝土T型相贯节点具有良好的抗震性能和较高的承载能力;圆钢管混凝土T型相贯节点的破坏模式和承载能力与圆钢管T型相贯节点有明显的差异。 建立了圆钢管混凝土T型相贯节点的精细化有限元模型,模型中考虑了材料非线性、几何非线性和钢管与混凝土之间的接触非线性,同时建立了符合真实情况的实体焊缝。首先对试验节点进行了破坏全过程模拟,验证了有限元模型的可靠性。在此基础上对圆钢管混凝土T型相贯节点进行参数分析,参数范围中特别考虑了薄壁钢管混凝土节点。计算结果表明,管径比、主管径厚比、主支管壁厚比对节点的破坏模式和极限承载能力有明显影响。对节点的承载效率进行了分析,得出在工程设计常用的节点几何参数范围内,圆钢管混凝土T型相贯节点的承载效率较高,比起钢管节点更容易满足“强节点、弱构件”的设计需求。对离心钢管混凝土相贯节点进行了有限元分析,探讨其破坏模式和承载能力,给出了该种结构的适用范围。 在试验和有限元分析的基础上,研究了圆钢管混凝土T型相贯节点极限承载力的理论计算方法,建立了适合力学分析的计算模型,模型中考虑钢管与混凝土的相互作用、焊缝高度、主管冲剪面精确壁厚等因素,推导了主管管壁冲剪破坏模式下节点受拉和受弯极限承载能力的精确理论公式和针对工程设计的简化公式,推导了薄壁节点混凝土压碎破坏模式下节点受压极限承载能力理论公式,并探讨了不同破坏模式之间的分界准则。


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