覆板加强的方钢管T形节点轴向滞回性能试验研究

为研究采用覆板加强的冷弯方钢管T形节点的轴向滞回性能,对2组支管与主管的截面宽度比β分别为0.4和0.8的方钢管直接焊接节点和采用覆板加强的方钢管T形节点进行了轴向往复加载试验。详细介绍了试验节点的设计、试验过程及破坏形态,并对节点试件的滞回曲线、骨架曲线、耗能和延性等性能进行了分析。试验中,试验节点经历了主管屈服、初始开裂、裂纹闭合、裂缝扩展、裂缝贯通五个主要阶段,但各试件的开裂位置并不相同。加强覆板阻止了裂缝向主管管壁发展,有效避免了主管管壁的撕裂破坏,使开裂后支管的受压荷载继续上升,因而节点开裂后受拉能力较未加强节点的好。支管与主管截面宽度比越小,试件的耗能能力和延性越好。但覆板加强处理降低了试件的耗能能力,且支管与主管宽度比越小其耗能能力的降低越明显。受拉裂缝会降低试件的延性,故轴拉循环的延性较对应的轴压循环的差。在β=0.8时,覆板加强对试件的抗震延性有所改善,但β=0.4时加强节点试件的位移延性系数低于未加强节点。覆板加强节点在支管轴向往复荷载作用下的拉压不均衡问题应引起重视。     

轴压或轴向往复荷载作用下方钢管焊接T型节点的承载性能研究

采用试验实测的方法,研究不同支管与主管宽度比(β)的方钢管焊接T型节点的静力与滞回性能,分析了节点的破坏形态、荷载-位移曲线、承载及耗能能力。结果表明:支管与主管宽度比对节点的静、动力性能有明显影响,如在支管轴向压力作用下,β=0.4,0.8时试件的破坏分别受主管上翼缘屈服和主管侧壁屈曲控制,支管的轴向往复加载会引起节点的开裂破坏,试件裂纹分别沿主管上翼缘和支管根部贯通;β=0.4的试件能耗系数比β=0.8时提高43.5%,这种提高与各试件的耗能机制不同有关。往复加载试件的受拉开裂会降低节点的承载力,但按GB 50017—2003《钢结构设计规范》设计的节点承载力具有足够的安全储备。     

L形包角环口板加强方钢管T形节点轴向滞回性能研究

为研究L形包角环口板加强方钢管T形节点（LCPT）轴向滞回性能,对一组包角环口板加强T形节点进行轴向往复加载试验,并与未加强（URT）和覆板加强节点（DPT）进行对比。结果表明：包角环口板加强节点的轴向滞回性能较优,LCPT试件比URT试件的最大荷载可提高103.2%;LCPT试件比DPT试件的累积耗能能力更好,且LCPT试件比DPT试件的拉压对等性更好。进一步对包角环口板尺寸和屈服强度进行有限元参数分析,结果表明：包角环口板厚度是影响LCPT节点轴向滞回性能的关键几何参数,提高包角环口板屈服强度可提高节点承载力,但对节点耗能能力几乎无影响。最后,对比覆板、环口板、包角环口板三种方钢管加强节点的承载和耗能机理,包角环口板加强节点的轴向滞回性能更优。     

变电站钢管塔架多支管空间节点受力性能研究

以青海佑宁750kV变电站塔架的复杂节点为背景,对两类空间多支管梁、柱节点进行了静力加载试验和非线性有限元分析。试验中采用足尺模型,试验装置为具有足够刚度的自平衡框架,制作梁、柱节点试件各2个,采用主动与被动加载相结合的试验加载方案。试验得到了节点的破坏模式、荷载 位移曲线、荷载 应变曲线及受力特性。在此基础上,建立了复杂节点的非线性有限元模型,并对节点的承载性能进行了分析。结果表明：主管部分属于节点的薄弱部位,两类节点都发生了主管凹曲变形破坏,且未出现支管和焊缝的破坏;另外,梁节点两试件出现了支管插板及其加劲板的受压弯曲破坏;加载至设计荷载值时,两类节点所有测点基本处于线弹性工作状态,且节点承载力富余较大,表明节点设计较安全。参数分析表明,主管径厚比 γ 对节点承载力影响显著,支主管直径比β₂及厚度比 τ₂对节点承载力具有一定影响;梁节点中,γ较小时,β₇对节点承载力影响较大;β₄、τ₄、β₅节点板与主管厚度比τ_J及插板与主管厚度比τ_c对各自节点承载力基本无影响。     

主管灌混凝土平面X形圆钢管节点受压承载力试验研究

对6个不同截面几何参数主管中灌混凝土的平面X形圆钢管节点在支管轴向压力作用下的承载性能进行单调加载试验研究。描述了X形圆钢管混凝土节点破坏现象,给出了支管轴力-整体位移曲线、支管轴力-主管管壁变形曲线以及节点区域折算应变分布曲线,并将支主管外径比β、主管径厚比γ和支主管壁厚比τ对节点承载力和抗压刚度的影响进行分析。结果表明：节点初始抗压刚度随着β、γ的增大而提高,而τ对初始抗压刚度影响很小;所有节点试件主管测点都未进入塑性,均为支管根部冠点首先进入塑性,且直到破坏时折算应变一直保持最大;主管灌混凝土使钢管节点承载力明显提高。有限元计算结果与试验结果吻合较好。     

钢管混凝土柱X形节点试验研究

钢管混凝土柱斜向相贯,在节点处的构造和应力较为复杂。针对工程中出现的这种情况,为观察此X形节点试件的破坏形态和承载能力,本文完成了两种不同角度、四个加强板加衬板构造形式的节点模型试验。试验结果表明:小角度(20°)试件最终破坏在节点区以内,而大角度(35°)试件最终破坏在节点区以外的构件上,且主要在支座与节点之间的构件上。小角度试件相对大角度试件,其节点承载能力较低。同时,所有试件均表现为随荷载增加,轴向受压,环向受拉,且轴向应变一直大于环向应变,当钢管进入屈服阶段后,试件仍表现出钢管与混凝土共同受力的特点。     

内置横向插板加强空间相贯圆钢管节点受力性能研究

对武汉天河机场T3航站楼屋盖结构中2个典型内置横向插板加强空间相贯节点的受力性能进行了足尺破坏试验和有限元模拟研究,分析了两节点的破坏模式和应力变形发展过程,试验和有限元结果表明:2个试验节点均具有较高的安全储备,其破坏模式均为受压支管根部局部屈曲破坏。有限元软件可以较好地模拟节点的加载过程,两节点中插板的存在可提高其极限承载力,但对各自主管应力状态的影响不同,JD2试件中插板可有效改善其主管的应力集中现象,JD1试件中插板对其主管应力状态的影响较小。     

方钢管混凝土K型节点滞回性能试验研究

对1个方钢管K型节点试件和主管填充混凝土的6个K型方钢管节点试件进行拟静力试验,以研究支管尺寸、支管间隙等参数对方钢管混凝土K型节点破坏模式和延性的影响,并与K型方钢管节点试件进行对比。主管填充混凝土的K型方钢管节点的破坏模式包括支管与主管之间的焊缝破坏、支管受拉断裂、支管鼓曲以及主管撕裂;支管间隙较大的试件更容易出现主管撕裂破坏。主管填充混凝土后,其径向刚度显著提高,支管与主管连接处的应力集中程度也有所改善,节点的屈服荷载和峰值荷载有不同程度的提高,尤其是受压循环的峰值荷载提高幅值达到60%以上。主管填充混凝土后,K型方钢管节点试件的延性以及耗能系数都有所降低。     

钢框架刚性连接加强型节点滞回性能试验研究

针对加强板参数对钢框架梁柱节点抗震机理的影响,设计制作4个翼缘过渡板和4个盖板加强型节点试件,采用1/2缩尺比例的T型试件进行低周反复循环荷载作用下的滞回性能试验研究,并在试验研究基础上采用有限元ANSYS进行数值模拟分析,得到满足节点抗震设计要求的加强板参数取值依据。研究结果表明板式加强型节点的塑性铰在距离加强板端部1/3～1/4梁高位置形成,梁柱连接焊缝均未出现开裂现象,翼缘局部屈曲明显,腹板鼓凸严重,塑性铰现象十分明显;加强板几何参数对节点的承载力和延性均有明显影响,当加强板的长度和厚度增加时,节点承载力有所提高,但其滞回性能和延性性能降低;加强板长度取值过大,节点域在梁塑性铰形成和外移之前发生剪切屈服破坏,限制了加强板末端塑性变形的发展机制。建议加强板参数取值范围:翼缘过渡板或盖板加强板的长度为梁高的0.5～0.8倍;翼缘过渡板厚度为梁翼缘厚度的1.2～1.4倍,盖板加强板厚度为梁翼缘厚度的0.7～1.2倍。     

内置横向插板加强型管节点静力强度研究

主管内设置横向插板是改善焊接圆钢管结构承载能力的一种方法。为了研究横向内置插板对节点静力强度的影响，采用有限元方法，对62个加强与未加强的T形节点模型进行了有限元模拟和分析。调查了节点区域和内置横向插板在静力加载过程中的变形过程。通过对模型参数的研究发现：内置横向插板能够提高T形节点的静力强度，但当T形节点承受轴向压力作用时，静力强度的提高对插板长度和厚度的变化不敏感。插板的厚度可按照构造措施选取，长度不能小于支管的直径。     

垫板加强K型圆管节点极限承载力研究

对垫板加强K型圆管节点进行非线性有限元分析。研究结果表明,该节点主要有两种破坏模式:支管局部屈曲与垫板屈曲破坏,支管局部屈曲与垫板主管过度塑形变形的联合破坏模式;通过与K型圆管相贯节点对比,了解了垫板加强K型圆管节点荷载-位移曲线的特征,考察了相关几何参数对垫板加强K型圆管节点极限承载力的影响。     

垫板加强Y型圆钢管节点受压极限承载力研究

对支管受轴向压力作用的垫板加强Y型圆钢管节点进行了非线性有限元分析,研究了几何参数对加强型节点受压极限承载力的影响。分析表明,设置适当尺寸的垫板能够增强Y型圆钢管相贯节点承受荷载和抵抗变形的能力。用多元线性回归法求出垫板加强Y型圆钢管节点受压极限承载力提高系数φp的回归方程,从而提出了垫板加强Y型圆钢管节点受压极限承载力的建议公式。     

Static strength of doubler plate reinforced CHS X-joints loaded by in-plane bending

In offshore platforms, doubler plates are used to facilitate field installation of auxiliary structural components to the main structure. Recent research on the static strength of axially loaded doubler plate reinforced Circular Hollow Section (CHS) T- and X-joints showed that appropriately proportioned plates can significantly improve the joint strength. This paper extends the numerical study to doubler plate reinforced CHS X-joints subjected to in-plane bending through systematic variation of the main geometric parameters. The load transferring mechanisms and failure modes of such joints, with different doubler plate size and thickness, are investigated and compared to corresponding un-reinforced joints. Within the range of geometric parameters investigated, the doubler plate is observed to provide strength enhancement up to 240% for the corresponding un-reinforced joint. Strength equations are established using the computed results for assessment of the static strength of doubler plate reinforced X-joints, and design recommendations are provided for this joint type.     

Mechanical behavior research on multi-planar steel tubular joints with inner plate

通过对内置加强板的空间DKYY型圆钢管相贯节点的足尺试验和有限元模拟,分析节点应力和变形的发展过程。结果表明：节点在1.3倍设计荷载作用下保持弹性工作状态,具有较高的安全度,可以满足设计承载力需求,有限元分析较好地模拟了加载试验过程,有效弥补了节点试验测点较少的不足,可用于节点受力性能的全面评估。另外,选取较小的主管径厚比和内置加劲板可提高其径向刚度,确保节点破坏时主管处于弹性工作状态;支管加劲板对支管的弹性刚度没有影响,对其承载能力的影响不大,但可以减小支管的径向变形,局部改变支管的应力分布。该节点的构造设计是合理的,其在设计荷载作用下的受力是安全的。     

垫板加强N形圆钢管相贯节点静力性能试验研究

为研究加强垫板对承受支管轴力和主管轴力的N形圆钢管相贯节点静力性能的影响,对未加强节点和垫板加强节点试件进行了试验研究,并运用有限元方法对试验节点进行了非线性分析。比较试验与有限元分析得到的极限承载力结果和破坏模式,发现二者吻合较好。改变垫板各几何参数,对加强节点进行有限元分析。结果表明,加强垫板可以降低节点应力集中系数、减小局部变形、提高节点极限承载力;增大垫板长度和弧度对节点极限承载力的影响很小,而增大垫板厚度可有效提高节点极限承载力,但当垫板厚度增大到一定值时,再增加垫板厚度对节点极限承载力提高无益而对结构整体受力不利。     

T形钢管混凝土插板连接节点受弯性能研究

采用精细化有限元分析方法对T形钢管混凝土插拔连接节点的平面内受弯性能进行了研究。首先通过与试验结果进行对比,验证了精细化有限元模型的正确性和准确性。在此基础上研究了主管壁厚、支管壁厚、主管形式和混凝土强度对节点破坏模式和承载力的影响。结果表明,钢管混凝土插板连接节点的破坏模式和钢管插板连接节点不同,为主管冲剪破坏和支管屈服破坏,其受弯承载力比钢管插板连接节点要高很多,国内外设计规范中关于钢管插板连接节点的受弯承载力计算公式不适用于钢管混凝土插板连接节点。最后给出了基于力学模型的主管冲剪破坏模式下钢管混凝土插板连接节点受弯承载力计算公式,以期为此类节点的工程应用提供参考。     

Experimental Study on hysteretic behaviour of tubular N-joints

Tubular joints are often adopted in CHS structures due to their simple and aesthetic appearance. The ultimate load carrying capacity of this kind of joint has received lots of attention in the past 30 years. However, little research work has been carried out on their hysteretic behavior. In this paper, the hysteretic behaviour of tubular N-joints was studied experimentally. Four specimens were built and tested under quasi-static cyclic loads. They are unstiffened tubular N-joint, doubler plate reinforced tubular N-joint, tubular N-joint with concrete filled chord member and doubler plate reinforced tubular N-joint with concrete filled chord member. The failure modes of the four specimens under cyclic loads were observed during the tests. The hysteretic curves obtained for all the four specimens are plump and stable. Based on the hysteretic curves, the ductility ratio and the energy dissipation ratio were evaluated and compared for the four specimens. The ultimate load carrying capacities of the specimens determined from their skeleton curves are also discussed and compared.     

Hysteretic behaviour of square tubular T-joints with chord reinforcement under axial cyclic loading

The stiffness of hollow section tubular joints is weak in the chord radial direction, and thus failure frequently occurs at the weld toe in the form of brittle fracture caused by crack propagation due to cyclic loading. To avoid such brittle failure, the chord at the intersection can be reinforced by increasing the chord thickness. With the chord reinforced, the failure position can be transferred to the chord intersection, and hence the cracking along the weld toe is prevented. To verify the efficiency of the proposed reinforcing method, both experimental test and finite element analysis are carried out on reinforced and un-reinforced square tubular T-joints subjected to quasi-static cyclic loads. The hysteretic curves, ductility ratio, energy dissipation and failure mode of the two full-scale specimens are studied experimentally, and it is found that the hysteretic curves of both specimens are plump, which show the T-joints can absorb much energy when they are subjected to seismic action. However, the enclosed area of the hysteretic curves of the reinforced T-joint is larger than that of the un-reinforced specimen because the chord reinforcement can prevent the fracture failure as well as improving the bearing capacity. The failure performance of the reinforced and un-reinforced specimens also show that a T-joint with chord reinforcement is more advantageous in resisting seismic action. Finally, the effect of the reinforced chord length and thickness on the hysteretic behaviour of square tubular T-joints is also investigated from a parametric study.     

Experimental investigation and design of round ended elliptical steel tubular T-joints under axial compression

圆端形椭圆钢管是一种融合圆形和矩形截面特征优势的构件，其圆端部分可以提供良好约束，矩形部分可实现快捷连接，在桁架结构中有着良好的应用前景，然而目前尚缺乏有关圆端形椭圆钢管相贯节点的受力性能研究。为此，通过对13根圆端形椭圆钢管T形相贯节点开展轴压性能试验，研究相贯类型、主支管径比、主支管夹角和是否填充混凝土等对其破坏模式、承载力、初始刚度和延性等力学性能的影响，明确圆端形椭圆钢管T形相贯节点在支管受压作用下相较圆形或矩形钢管相贯节点的承载特征差异，揭示相贯节点的受力机理，提出圆端形椭圆钢管相贯节点的轴压承载力计算式。研究结果表明，圆端形椭圆钢管T形相贯节点表现出良好的轴压性能；支管与主管圆弧段连接的相贯节点轴压承载力分别为圆形或矩形钢管相贯节点的1.07~1.66倍，具有明显的承载优势；主管填充混凝土可使圆端形椭圆钢管T形相贯节点的轴压承载力和初始刚度分别提高75.5%~103.4%和11.9%~60.6%；通过试验结果验证，提出的轴压承载力计算式可较准确地评估圆端形椭圆钢管T形相贯节点的轴压承载力。