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3给出了K型节点与上述七种失效模式对应的示意图。须指出现实情况

归档日期:08-15       文本归类:整体失效      文章编辑:爱尚语录

  3给出了K型节点与上述七种失效模式对应的示意图。须指出现实情况中 节点破坏时往往产生图中一种或几种失效模式。本文后续研究中节点主要发生弦杆侧壁局部失稳、弦杆整体侧移失稳和支杆局部失稳三种破坏模式。 弦杆表面塑性失效b弦杆表面冲剪失效c 支杆拉伸破坏 空心管节点的失效模式Fig FailureMode

  3给出了K型节点与上述七种失效模式对应的示意图。须指出现实情况中 节点破坏时往往产生图中一种或几种失效模式。本文后续研究中节点主要发生弦杆侧壁局部失稳、弦杆整体侧移失稳和支杆局部失稳三种破坏模式。 弦杆表面塑性失效b弦杆表面冲剪失效c 支杆拉伸破坏 空心管节点的失效模式Fig FailureModes RHSjoints 直接焊接钢管节点研究方法武振宇教授 通过对以往学者研究内容分析归纳总结了国内外对一般直接焊接管节点的研究思路和方法。研究方法主要分为理论研究和试验研究。其中 理论研究方法较多 包括 薄壳理论法、塑性铰线法、弦杆壁承压模型法、半解析半数值法及有限元等方法。试验研究主要采用钢模型、三向光弹性模型试验及原位观测法。 上世纪五十年代初 钢管结构问世。随着钢管结构的逐步发展 促使了人们对其进行研究。早期的理论研究方法并不完善 对钢管节点的研究主要以试验分析法为主。试验分析法不仅提供了可靠的数据依据 而且在试验过程中 通过对节点的受力全过程观察 对其破坏模式可以做出比较准确的判断。采用试验分析法研究钢管节点最接近节点的实际工作情况 并且可以通过对试验数据的分析来调整有限元模型。试验研究法虽然行之有效 但试验成本较高 试验数据量相对较少 研究进度缓慢。在科技发展迅速的今天 这样的速度很难适应当今发展要求。且影响试验结果的因素错综复杂 离散性大 难以进行全面系统的分析。寻4 绪论找更为有效的研究方法成为一个新的研究课题。 随着计算机技术的发展 在诸多理论研究方法中 采用有限元计算程序模拟节点工作性能是一种高效的方法。有限元计算能够进行大量模型的模拟 扩大了不同形式、不同尺寸节点的研究范围。但有限元较难精确模拟实际结构在加工过程中的性能变化 如应变硬化、焊接残余应力、残余变形等。目前来说 理论法和试验法各有优劣 以理论研究结果设计试验 再用试验验证理论研究的正确性 将两种方法结合使用才能促进钢管节点研究的快速发展。 直接焊接相贯节点研究现状钢管结构在工程中的最初运用始于上世纪50年代初 墨西哥人将圆钢管运用于海洋平台的建设中。方管也于随后在英国问世 最初管结构在工程中运用取得良好的效果。但随着时间推移 在海上恶劣环境的作用下 钢管结构也出现了部分倒塌失效的案例 。工程应用的迫切需要促使人们对钢管结构开始深入研究。1962年一批专门研究钢管节点的学者成立了国际管结构研究开发委员会CIDECT 开始在全世界范围内对钢管结构开展大量研究。我国是一个灾难多发性国家 继1976年唐山大地震之后 2008年汶川地震引起了土木界人士高度重视。我国对建筑结构的抗震性能提出了更高的要求 钢管节点的抗震性能研究也因此得到了重视。灾害予以人们警告 但也为管结构的研究带来了许多新的研究课题。 目前 国际上对钢管结构的研究手段主要从两个方面开展 一是通过大量试验 对试验数据进行回归总结进而得出公式。二是通过理论分析计算 建立管节点受力模型 然后进行推导计算得出刚度及承载力等力学性能的计算公式。随着计算机性能的提高 借助有限元计算的理论分析法得到了迅速发展 大大促进了钢管结构的研究与应用。 节点破坏工程实例Fig FailureModes RHSjoints engineeringapplication 国外研究现状据对相关文献的查阅 最早开始对相贯节点的研究是1948年由前西德进行的圆钢管节点极限承载力试验 随后各国学者开始对钢管节点进行各方面研究。1966年 Redwood最早使用塑性铰线法 建立了早期矩形相贯节点理论计算模型 为后来Packer等人的研究奠定了理论基础。 1967年 进行了106个K形节点的大量系统性试验研究分别对几何参数不同的试件进行了试验对比 通过回归计算给出了K形节点静力极限承载力计算公式。该项成果也被纳入API PR2A首版管结构设计指南。 1970年 Eastwood与Wood 提出了矩形截面和圆截面管节点的设计方法早期的管结构设计便由此开始。 1984年Packer 在其试验中对31个等宽T形和等宽十字形节点的破坏模式进行研究整理各国在相关方面研究的试验数据 并对多组参数进行对比。Packer将结果与当时的6种计算节点承载力的方法相比较 给出其认为最合理的计算方法。同年 Kurobane 整理了50个T型、73个X型、398个K型节点的试验结果回归得出了适用于管径60mm 150mm 钢材屈服点从270MPa变化到500MPa时的平面圆钢管节点设计公式。日本建筑学会 欧洲管节点委员会在制定设计指南时采用了其研究成果。 同年Makino 在其博士论文中发表了其对20个空间KK型节点的试验结果试验结果显示了平面K型节点所不具有的特征。作者在文中总结了两受压支杆间距对节点破坏模式的影响 把管节点的研究范围从平面扩展到空间。 1991年 Zhao L根据节点几何尺寸以及作用荷载不同分别研究了T型相贯节点在支杆轴向力作用下和单独对弦杆施加纯弯矩荷载作用下的节点性能。作者对试验结果进行总结 得出了节点破坏时的3种失效模式 分别为弦杆表面塑性屈服失效、弦杆侧壁屈曲和支杆局部屈曲 其中以前两种失效模式为主。Zhao L同时还对其所得荷载位移曲线进行分析结合曲线对应的破坏模式给出承载力判别准则。次年 他们 10 又进行了方管和矩形管在不同荷载作用下的试验。对比前述试验 Zhao L指出弯矩对节点承载力的削弱比较明显同时他运用其他规范公式进行计算对比 并提出了设计建议。 1994年 日本的Paul 11 对58个空间TT和KK型节点进行试验研究 肯定了前述空间节点研究结果的正确性。他使用多元回归得到空间节点极限承载力公式 指出空间相互作用对节点承载力的影响不容忽视。 1995年 Yeoh 12开展大量试验对T型节点进行研究。作者在文中分别进行了支杆轴向集中力、节点平面内 绪论性能研究。指出 现有热点应力位置预测只针对支杆在轴向荷载作用情况下适用。不同荷载叠加时 应当采用不同的判定方法。随后 考虑到加强板对节点在不同受力时可能会产生削弱作用 作者对壁厚加厚的T型圆管节点受拉性能进行模拟 验证了加强节点在支杆轴向受拉时承载力与不加强节点一样。同年 Zhao 13等人分别对方管和矩形管在杆端荷载作用下受力性能进行单独研究。文中利用加载端板直接作用于单根矩形管表面 作者通过变化端板长度和宽度考察管材受力情况 并总结了矩形管材在端部受力条件下的变形及承载能力。他结合以往试验得出结论 钢管端部受力状态相对于钢管中部受力更为不利。 1996年 Makino 等人在自己和前人研究的基础上建立了数据库将圆钢管相贯节点的试验数据和有限元分析结果纳入其中。该数据库可供研究者自由下载使用。Van der Vegte 14 在1998年用数值方法精确模拟空间TX型节点 在弦杆端部施加反方向弯矩以排除弦杆弯矩影响 并对其他参数进行单独分析 利用分析数据拟合了空间TX型节点承载力计算公式。 1999年 Lee15 针对海洋平台结构中管节点进行研究 证明通过内置加劲环方式可以提高节点承载力。他由荷载位移曲线看出 加劲节点保持了良好的延性 节点发生破坏时变形与非加劲节点破坏时变形大致相等 但承载力有所提高。作者还通过参数分析得出结论 加劲环尺寸对节点承载力的影响不同 加劲环厚度变化影响较加劲环数量影响大。 2000年 Zhao 16继续研究了T型管节点极限承载力的判别方法。对于常见的两种节点失效模式 由于其荷载位移曲线不同 这使得学者在研究过程中并不能用统一的标准去判定所有T型节点的极限承载力。当节点发生弦杆表面塑性失效时 Zhao L通过试验给出了这一特定值为3b0 并将其判定方法所得承载力与Packer等人的公式对比 证明其理论正确性。同年10月 Lie 17介绍了考虑圆钢管相贯节点焊缝细部尺寸的建模方法 通过精确计算构件各关键位置的几何坐标及曲线 以达到最大精度模拟焊缝的几何尺寸。 2001年 Hoon 18对环口板加强弦杆表面的T型圆钢管进的平面管桁架进行了疲劳试验 实行研究。在不同荷载作用下 作者利用多组应变片监测节点域的应力变化 对比加强和不加强节点的试验结果。文中指出节点在支杆轴向压力下 加强节点的应力水平比未加强节点要低 但在轴向受拉或面内弯矩作用时并非如此。作者还指出加强后的节点在加强板和支杆连接处 应力水平明显高于非加强的节点。最后作者利用叠加原理 得到复杂荷载作用下的加强节点的极限承载力 与试验结果对比表明 叠加法计算结果相对保守。 2006年Schumacher 19 哈尔滨工业大学工程硕士论文际测20 采用22个高强不锈钢管进行试验研究 Bo 22 进行了环口板加强的T型方管节点的滞回试验。试验证强和未加强的节点进行伪静力试验 研究其滞回灾后性能进行了研究 他使用软件ABAQUS对节ABAQUS1 1989年云大线 率先使用量显示杆件受轴向力和弯矩共同作用 作者指出实测热点应力与现有设计规范计算值偏差较大 这一点值得引起注意。 2007年 香港大学Ran Feng Ben Young 。由于不锈钢材料无明显屈服点 文中采用0 残余应变所对应的应力作为屈服极限。试验表明节点破坏大多由极限承载力控制属失稳破坏。作者将试验结果与各国规范公式计算结果对比 表明设计规范偏于保守。同年 南洋理工大学Shao Yong Bo 21 对受支杆轴向力作用的T型和K型节点焊缝周围应力分布进行了试验和数值模拟。ShaoYong Bo指出以往对于节点疲劳性能的研究 在研究热点应力时仅关注峰值是不安全的 焊脚周围的应力分布会影响裂缝的开展 进而影响节点疲劳强度。 2010年 Shao Yong明加强后的节点能够有效提高节点承载力并改善节点延性 从而吸收更多能量 能够更有效地抵抗地震作用。 2011年 Shao Yong Bo 23 对加性能。他通过试验全面研究了两个试件的滞回曲线、延性比、耗能能力和破坏模式 并分析研究了各尺寸参数对节点性能的影响。普通T型管节点由于应力集中和残余应力的影响 钢管节点在抵抗地震作用时效果并不显著 节点破坏时多为脆性断裂破坏。文中试验指出加强型节点的破坏模式与未加强节点相比 屈服荷载、破坏类型都有所不同 其中最重要的是加强板使原来的屈曲破坏模式转变为延性破坏 破坏前有明显征兆。作者通过对比还得出结论 加强型节点的屈服荷载相对较高 节点吸收能量的能力相对较强 在抵抗地震作用时 塑性变形性能在消耗能量中起到重要作用。 2012年 Jin 24对T型圆管的火点进行数值模拟。结果指出节点在火灾发生时的持荷大小、火灾作用时间、冷却时间等因素对节点性能均有影响 且节点抗压刚度所受影响大于强度所受的影响。Yang Jie 25 在同一年对两个足尺Y型节点和两个环口板加强型Y型圆管节点进行了试验和数值模拟 证明加强板对于提高节点静力承载力的作用比较明显。 2013年 Lesani 26对T型和Y型圆管节点进行了试验和有限元分析 利用模拟试验全过程并取得良好效果 试验和模拟所得规律符合以往研究的结果。 国内研究现状我国学者在钢管结构方面的研究也做出了突出贡献。拟协调元对钢管节点进行有限元计算 并将计算结果与试验对比 证明有限8 绪论元计算在研究中的可行性。 1990年 同济大学张志良 28进行等宽T型和等宽十字形方管节点的有限究成果 将当时研究和理塑性铰线模型基础上 提出并建立抗弯的塑性铰线 考虑了管节点在实际工程中的复杂受力 研究不元非线性分析。张志良运用理论计算和试验分析相结合的方法 提出新的节点极限承载力全过程分析概念。沈祖炎 29 随后对其进行有限元参数分析 并提出“等效框筒”模型用于计算等宽十字型和X型节点的极限承载力。 1996年 总结了当时焊接管节点静力方面研究方法进行归类总结研究方法可分为试验研究和理论分析两大类。作者对比了两种研究方法的优劣 为后来的管节点研究发展方向提出了宝贵意见。 从1997年开始 30等人对矩形管节点进行了大量的试验研论分析。武振宇利用自编有限元程序 通过坐标转换法解决了曲面交线处位移不连续的问题 并用该程序对T型节点进行试算证明该方法的优越性。次年 谭慧光31 用有限元方法对一系列T型节点进行分析 通过不同参数变化 对前人提出的若干塑性铰线模型的合理性进行了验证。分析结果表明t0 η三个参数对不等宽节点承载力有较大影响而弦杆截面高度影响相对较小。1998年武振宇 32 对10个T型钢管节点进行了试验 利用多种参数变化得出了不同边界 不同构造对节点承载力及破坏模式的影响规律。 2002年 33在以往轴向力作用了考虑P Δ效应、节点柔性和初始缺陷的新模型。作者将其模型计算结果与有限元计算结果相比较 证明该模型可以准确模拟节点变形为1 b0、3 b0时的刚度 对节点进入塑性后的刚度模拟也较为准确。同年12月 34对等宽T型方管节点的静力工作性能进行研究。他运用有限元模拟节点受力全过程 对比T型节点和十字型节点的受力 得出十字型节点承载力略低于T型节点的结论。文献还指出弦杆轴向受拉对节点承载力的提高有微小贡献 并分析其原因为拉力改善了弦杆腹板的工作性能 同时并未对张力场形成不利影响。 2003年 35提出了弯矩作用下不等宽T型节点型 并将模型计入弦杆轴向压力影响 推导弦杆轴力影响下的塑性铰线节点承载力计算公式。作者将所得的节点承载力公式与CIDECT公式、非线性有限元计算结果及试验结果进行对比 在理论上完善了不等宽T形方管节点的抗弯塑性铰线模型。同年武振宇、远芳、张耀春 36 进一步研究了几何参数变化时不等宽T型节点在弯矩作用下的受力性能 提出了考虑弦杆轴力影响系数的修正公式 并对国外规范公式进行了修正。 2004年 3等宽T型节点在压弯组合荷载作用下的极限承载力。文中给出了相应的设计参考公式及适用范围。随后武振宇利用有限元法38 模拟等宽T型节点两种常见破坏形9 哈尔滨工业大学工程硕士论文 模拟时考虑了初始缺陷证明节点发生侧移失稳或对称失稳时承载力相当。 2005年 39考虑以往学者在研究时 利用有限元计算时对矩形管节点的模型简化往往忽略了圆角效应对节点受力的影响 CIDECT设计公式也没有考虑圆角效应。吴在其研究时采用Shell181单元进行模拟 考虑不同大小圆角半径对节点承载力的影响。从中得出结论 在其他参数不变的情况下 弦杆截面圆角半径越大 节点静力承载力越高。在相同圆角半径下 随β的增大节点承载力增大。吴还指出了CIDECT和我国设计规范都偏于保守 低估了这类节点的承载能力 尤其是当β和圆角半径都较大时规范计算结果更为保守。 2006年 张扬 40 对直接焊接 KT 型搭接方管节点受荷全过程进行细致研究 特殊节点进行缩尺模型试验 研究其承载力钢管进行了研究 得出了和之前个Y型矩形管节点的滞回性能 试验时考虑作者详细分析该模型的5种基本失效模式。对以往学者的不同极限承载力判别标准 他分别取不同位移时对应的承载力数值进行比较。通过比较并证明取关键点位移为0 06b0时 有限元计算结果与以往文献结果吻合较好。张扬在文中分别对弦杆有无轴力影响作用的节点进行详细参数分析 并经多元回归得出了两种受力情况下KT型节点的承载力计算公式。 2007年 41对在建国家体育场及局部加劲处受力状态。作者通过试验证明节点构造合理 可靠性强。同年 陈鹏 42 对T型方管的滞回性能进行研究 采用试验和有限元法相结合 对模型的承载极限、滞回曲线、能量耗散及刚度进行全面分析。陈鹏总结得出不同支弦杆宽度比下 节点的破坏模式和耗能机制不同。最后 作者通过对有限元中三种不同单元的比较计算 发现采用Solid95单元计算结果与试验吻合最好。同年刑丽 43 对国家游泳馆节点加强方式进行试验 研究节点域受弯承载时 不同加强方式对节点破坏模式的影响 并提出相对有效加强方式。 2009年 44对弦杆壁加厚的T型方学者研究成果相类似的结论。研究证明弦杆壁加厚对节点的静力承载力有明显提高作用。作者对弦杆壁厚加强节点的两个几何参数tp和Lp进行分析 提出tp加厚会改变节点的破坏模式。节点破坏位置由节点域焊缝附近转移到壁厚变化连接处。作者在文中还指出当Lp增加到一定程度后 继续增加Lp对节点的承载力提高作用不大。邵永波依据研究结果给出了加强板的尺寸范围 当加强板Lp b1 3和tp t0 45继续进行了加强型节点在轴向往复荷载作用下滞回性能研究 证明壁厚加强的节点不但具有良好的静力性能 滞回性能也有显著提高。 2010年 武振宇、张扬 46 试验分析10了钢材冷作硬化等影响因素。作者从节点破坏机理、承载力、延性等方面描述了Y型节点的滞回性能 进一步拓宽节点抗震性能研究领域。次年 4710 绪论在上述结果基础上研究了经退火消除残余应力后管管相贯和管板相贯节点的滞回性能 并验证了退火对Y型节点滞回性能有提高作用。 2011年 48进行了带垫板加强的T型圆管节点受力性能 指出不加强的不等宽T型矩形管节1 本文研究内容T型矩形管节点进行研究 旨在研究弦杆侧壁贴板合有限元分析的方法研究弦杆侧壁贴板加强节点的工作性能宽T型节点进行静力试验。通过观察试验现象 对其的现象力及破坏影响规律。同垫板尺寸对节点的加强作用不同。垫板厚度对节点性能影响较为显著 垫板过厚会引起支杆承载力不足导致的节点破坏。同年 西南交通大学赵雅娜 49利用软件ADINA对不同加强方式下的T型矩形管节点进行了数值模拟 其中包括环口板加固 内置加劲板 外套管等加固方式。作者通过对节点的极限承载力和滞回性能进行研究分析 得出结论 采用不同加强方式的节点 其承载能力、耗能能力均有提高 外套管加固方式最为有效。 2012年6月 王文杰 50对2个加强 2个未点进行试验。并用ANSYS模拟试验 文中有限元模拟与试验结果吻合较好。王文杰等人随后用有限元模型模拟分析了9个模型 对其模型进行理论公式推导。他提出在环口板刚度足够的情况下 原有的塑性铰线理论同样适用于加强型节点的承载力计算。 本课题针对弦杆侧壁贴板加厚加厚等宽T型节点的极限承载力影响因素。通过参数分析与现有规范中采用的计算公式对比 给出加强板各几何尺寸 Bp Lp tp 的合理构造要求 为今后规范修订提供合理化建议。 本文采用试验研究结。试验中通过变化节点及加强板尺寸研究节点承载力和节点破坏规律。然后依据试验结果验证ANSYS分析结果 并进行参数分析。最后通过参数分析结果与规范计算结果的对比 对规范的合理性作出评价。 本文具体工作如下 对15个不同参数等破坏模式和受力机理进行研究为准确建立有限元分析模型奠定基础。 对所得试验数据进行分析根据已有数据结果结合试验中观察记录对节点出现的破坏模式做出合理解释 综合评定贴板加厚型等宽节点的静力性能。根据上述力学简化模型利用ANSYS中相关设置进行建模 考虑材料非线性、几何非线性和接触非线性。结合试验不同情况 利用多种不同模型对试验结果进行模拟 以此证明ANSYS模拟钢管节点受力性能的适用性。 对非加劲的等宽T型节点进行参数分析得出其承载针对影响较大的因素提出合理的加强方法 为后续加强节点研究提供思路。 11 哈尔滨工业大学工程硕士论文 12 在前述工作的基础上对弦杆侧壁贴板加厚等宽T型矩形管节点进行限元参数分析 得出加强板几何尺寸对节点静力性能的影响规律。将模拟结果与规范建议公式的计算结果进行对比 对弦杆侧壁贴板加强型节点的合理设计提出建议。 引言钢管结构中节点破坏实例较多 节点的承载能力很大程度决定了结构的承载力。随着结构体系向大型化复杂化发展 更多复杂结构对特殊节点的承载力提出更高要求。在以往各方面研究中 极限承载力是考察节点受力性能的一种重要方式。在各类钢管节点连接中 等宽T型节点具有较高承载力 但仍不能满足结构承载需要。目前对加强型节点的试验研究已有初步进展 但加强方式不一 对各种加强方式优缺点都未深入了解 还有待于进一步研究。 本课题试验分为两部分 材性试验和节点静力试验。通过材性试验为节点性能理论分析及节点试验提供依据。试验主要部分为弦杆侧壁贴板加厚T型矩形管节点的静力轴压试验 重点研究弦杆侧壁屈曲引起的节点破坏形式。试验时测量节点试件在支杆轴向力作用下关键点位移和加载端反力 观察记录试验中试件变形和失效破坏模式 为后续研究提供必要的依据。 设计意图本课题主要研究弦杆侧壁屈曲引起的节点破坏。以往研究表明 85破坏模式以弦杆侧壁屈曲为主。按照《钢结构设计规范》 GB50017 2003 第10 2要求 弦杆与支杆壁厚应满足如下要求 t0 t1。但为达到本课题研究目的 考虑到弦杆侧壁增加会导致支杆先发生破坏。为确保出现预期破坏模式 保证支杆不先于弦杆破坏。本文设计试件时将支杆壁厚加厚 以此保证支杆刚度及承载力。 试件详细设计实际工程中钢管的制作主要有两种方法 一是型钢钢管 二是焊接钢管 例如 两只C形槽钢对接焊接等。型钢具有加工精度高 初始缺陷小 截面性能优良等优势。但型钢生产时型号固定 适用于批量生产。相比之下 焊接成型钢管制作方便 尺寸不受控制 但焊接残余应力和残余变形无法得到保证。尤其是四块矩形钢板焊接而成的钢管 在钢管横截面倒角形成的残余应力非常复杂。 本文在设计时 设置三个系列一共15个试件。参考以往研究 在研究矩形钢管时采用两种母材 一种是使用标准型钢管 另一种使用钢板冷弯制成的槽钢13

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