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0206我国钢管相贯节点的疲劳性能研究进展

作者:bet36体育网站已浏览: 150次 日期:2020-02-29

钢管相贯节点的疲劳问题一直是各国学者研究的热点,bet36体育网站海洋平台结构因长期承受海浪和风等交变荷载作用,历史上曾发生多起因节点疲劳失效导致的事故。由于这类结构多采用圆钢管构件,其研究成果多集中于圆管相贯节点。此后钢管结构在建筑和桥梁工程中得到广泛应用,截面形式拓展至包含圆管和方/矩管。目前国外各规范对于相贯节点疲劳评估仍以偏于保守的名义应力法为主,对于国际首推的热点应力法,虽然已纳入国外规范,但仍需深入研究和完善,对于更为准确的切口应力法和断裂力学法,由于其使用复杂,研究难度大,尚未能被工程设计直接应用。相比国外规范,中国规范则仅给出了名义应力法。为进一步提高节点抗疲劳性能,一系列新型相贯节点相继被提出,其疲劳损伤机理和评估方法仍需进一步研究。在此背景下,浙江宏盛特钢有限公司对传统相贯节点的疲劳性能研究进展进行了系统介绍,并指出了当前研究的主要问题和将来的研究方向。

由于不少已建和拟建的钢管结构处于较高烈度的地震设防区,因此钢管节点在地震作用下的响应行为逐渐得到国内外研究人员的关注。目前的主要研究手段是通过拟静力低周反复加载试验评估节点的抗震性能。从2003年开始,同济大学研究团队结合国内地震区钢管结构的大规模建设需求开展相贯节点的抗震性能研究。基于广州国际会展中心的工程应用,对圆钢管空间KK形节点进行了单调和滞回加载试验研究,设计了以桁架结构为加载对象的试验装置。研究表明单调加载曲线可以包覆滞回曲线,节点在支管变号轴力反复作用下变形沿首次塑性开展方向累积。基于足尺试验全面考察了T形节点分别在轴力和平面内弯矩作用下的滞回行为,揭示了相贯节点在不同内力条件下耗能机制的显著差别,同时指出节点中的高应力三轴度会导致低周疲劳荷载下的焊缝断裂。基于上海光源工程单层网壳结构的实际应用需求,针对具有较大壁厚的X形节点和小曲率平面KK形节点进行了平面外弯矩作用下的滞回加载试验,研究发现,具有较大的支管与主管直径比的节点的典型失效模式为节点延性断裂,但其表现出更好的延性和耗能能力,同时加载方向对KK形节点滞回响应有显著影响,基于理论分析给出了这些现象的机理解释。以试验结果为基础,通过理论建模和有限元参数分析,构建了可考虑轴力作用的X形圆钢管相贯节点平面外受弯滞回模型,为钢管结构的地震响应分析奠定了基础。

主管和支管都是圆管的相贯节点焊接时需要进行空间相贯线切割,在某些情况下对加工精度和成本要求较高,因此在一些工程(如广州新体育馆、新加坡MEGA展览中心)中出现了用方/矩管代替圆管作为主管的相贯节点形式,称之为主方支圆(支管为圆管、主管为方/矩管)节点。对采用该连接形式的薄壁T形节点进行了受弯承载力试验,建立了考虑焊缝尺寸和弯角效应的矩形主管屈服线模型,推导得到了节点受弯承载力计算公式。提出一种等效方法从而套用现有规范的矩形管节点轴向承载力计算公式,即用圆支管尺寸代替方支管尺寸后再乘以系数π/4。这一修正源自于直径和边长相等的薄壁圆管与方管截面,其截面面积之比与周长之比均为π/4的几何关系。该等效方法虽简单但缺乏试验验证,且公式未考虑节点搭接时内隐蔽部分焊接与否、支管轴力性质、节点两侧主管轴压力大小等因素对节点承载力的影响。先后开展了12个足尺N形主方支圆节点的承载力试验研究,试验设计时综合考虑了上述影响因素,结果表明内隐蔽部分焊接与否对主方支圆节点被搭接支管受拉的节点承载力影响较大,焊缝断裂是内隐蔽部分未焊接节点常见的破坏模式;内隐蔽部分未焊接搭接节点在被搭接支管受压情况下的节点承载力较被搭接支管受拉时大很多;节点两侧主管均有轴压力时的搭接节点承载力较仅一侧主管有轴压力时要小;被搭接支管受拉的搭接节点承载力远远高于相应的零间隙节点。进一步的有限元分析表明,国内外现行规范中的N形主方支圆搭接节点承载力计算公式对发生主管局部屈曲破坏模式并不适用,因此提出了考虑相关影响系数的修正建议。