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外加劲环加强X形圆钢管节点轴向承载性能研究

杨凯  
【摘要】:钢管结构由于其出色的力学性能以及简洁美观的造型被广泛应用于海洋工程、建筑工程等诸多领域当中。钢管结构所经常采用的连接形式之一是相贯节点的形式,其中各个钢管构件之间的连接即节点设计是影响着整个结构安全的重要部分。在实际工程应用中,简单的相贯节点有时不能满足承载力或者刚度要求,需要对其进行局部加强处理。本文以试验为基础,结合有限元分析方法,对采用外加劲环加强X形圆钢管相贯节点在轴压下的极限承载力、破坏模式以及各个几何参数对于节点承载力的影响进行了研究,建立了相应的受力分析理论模型,推导了承载力提高系数的计算公式。本文首先设计了三组对比实验,每组试验均包含一个未加强X形圆钢管相贯节点与一个外加劲环加强X形圆钢管相贯节点,比较了节点的破坏模式以及受力性能。随后进行了非线性有限元分析,综合考虑了单元类型、材料属性设置、焊缝模拟以及网格划分等方面的因素,并将有限元分析结果与试验结果进行比较,以验证有限元模型的有效性。最后,本文对160个有限元模型,其中包括144个外加劲加强X形圆钢管节点模型和16个未加强X形圆钢管节点模型进行了有限元参数分析,分别探究了β(支管与主管外径比d_1/d_0)、γ(主管径厚比d_0/2t_0)、外加劲环宽度因子_rβ(2b_r/d_0,其中br表示外加劲环宽度)以及外加劲环厚度因子τ_r(t_r/t_0,其中t_r表示外加劲环厚度)对于外加劲环加强X形圆钢管节点的节点承载力提高系数R_e的影响,并建立屈服体分析模型,该模型认为,在极限承载力状态下,未加强X形节点的屈服体仅为主管和支管的相贯体,而对于外加劲环加强X形节点来说,其屈服体则为主管与支管的相贯体以及外加劲环。因此,X形节点承载力的提高来源于加入外加劲环之后屈服体体积的增加。再通过非线性回归分析最后得出节点承载力提高系数的计算公式。最后,为了尽可能减小节点承载力提高的需求与建筑整体美观之间的冲突,本文提出了两种外加劲环的优化方案并分别进行了优化效果的分析对比。得到以下结论:1.外加劲环能够显著提高X形圆钢管节点的极限承载力以及初始刚度,三组试验中的外加劲环加强形节点的极限承载力比未加强型节点分别提高了86%、75%和58%,初始刚度分别提高了121%、145%和128%。并且有限元分析的结果与试验结果误差在11%以内,说明有限元分析方法可以准确地预测加强型节点以及未加强节点的受力性能。2.试验中观察到两种破坏现象,分别为节点破坏和支管的局部屈曲。其中节点破坏普遍存在于所有试验构件上,而支管的局部屈曲现象仅在外加劲环加强型构件中才能观察到,而且支管的局部屈曲先于节点破坏发生,这说明节点极限承载力的提高是由于外加劲环的存在推迟了节点破坏的发生而实现的。3.参数分析结论显示,节点承载力提高系数R_e随着β值的增加而减小,但是当β值超过0.4之后,其对节点承载力提高系数R_e的影响大幅减小。而γ(主管径厚比d_0/2t_0)、外加劲环宽度因子_rβ(2b_r/d_0)以及外加劲环厚度因子τ_r(t_r/t_0)均与节点承载力提高系数R_e呈正相关关系。由屈服体模型计算得出的节点承载力提高系数R_e公式中各个参数与R_e之间的关系与参数分析的结论一致,证明了屈服体模型的可靠性。4.对于缩减外加劲环尺寸的情况,当环尺寸(宽度以及厚度)较小时,两种优化方案的优化效果均较好;对于增加外加劲环尺寸的情况,当外加劲环的宽度在50mm附近且厚度较大时,将取得最佳的效果。综合来看,沿横向缩减外加劲环宽度或沿纵向增加外加劲环尺寸的方案一的优化效果要优于沿纵向缩减外加劲环尺寸或沿横向增加外加劲环宽度的方案二,在实际工程中建议优先选用优化方案一。


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