平面K型圆钢管搭接节点静力性能的研究.pdf

摘要 摘要 圆钢管由于其独特的优越性能被广泛应用于空间桁架结构中。作为整个结 构的有机组成部分，钢管之间的连接即节点设计是一个重要的方面。不同轴线 钢管构件之间的连接型式之一是采用相贯节点形式，即将腹杆直接焊接在弦杆 的外表面，不进行任何加劲措施。在实际工程中的平面K型圆钢管相贯节点经 常会遇到腹杆与弦杆交汇处部分搭接的情况，必须针对这种节点开展全面的静 力性能研究。 本文以试验为背景，结合非线性有限元分析，探讨了平面K型圆钢管搭接节 点的受力性能、破坏模式、静力极限承载力以及搭接率、内隐蔽部分焊接与否、 搭接顺序、焊脚尺寸、节点处集中荷载和各几何参数对节点静力性能的影响， 给出了此类相贯节点的节点承载力和焊缝长度计算公式。 首先进行的是平面K型圆钢管搭接节点静力试验研究。实施了7个内隐蔽 部分不焊接节点和3个内隐蔽部分焊接节点的试验。介绍了节点试验方案，考 察了搭接节点的受力性能和破坏模式，并对内隐蔽部分焊接与否、焊脚尺寸、 节点处集中荷载幅值以及腹杆搭接顺序对节点极限承载力的影响进行了讨论。 试验研究结果表明，贯通腹杆受压时内隐蔽部分焊接与否虽然对节点的破坏模 式和应力分布有一定的影响，但是对节点极限承载力影响较小；当腹杆与弦杆 的壁厚相对值变小后，由于传力不均匀导致的腹杆局部破坏将成为主要破坏模 式，而这一因素和所导致的承载力降低在既有的规范公式中尚未有相应的反映。 此章为后续章节的研究提供了试验基础和比较依据。 随后本文对搭接节点极限承载力进行非线性有限元校准研究与适应性分 析。本文调查了可能影响节点轴向极限承载力数值分析结果的各种因素包括分 析程序、单元类型、焊缝模型、弦杆和腹杆端部的边界条件、加载方式、弦杆 和腹杆长度、几何非线性、材料非线性和极限承载力计算的迭代方法等，建立 一个有效的，准确的有限元模型以便进行广泛的参数分析。基于此种有限元模 型并对静力加载试验的10个节点进行了有限元分析，将试验结果和有限元分析 结果进行比较，再次验证有限元模型的适用性。 在试验研究和有限元校准性研究与适应性分析与之后，本文对84个CW型 搭接节点和相应的28个零间隙节点进行有限元参数分析，得出该类搭接节点受 摘要 力全过程、节点破坏模式分布规律、几何参数对节点极限承载力影响、节点效 率，并与零间隙节点极限承载力进行分析比较。在腹杆与弦杆的夹角O一定的情 况下平面K型圆钢管搭接节点的极限承载力与决定节点几何外形的无量纲参数 ——腹杆与弦杆的直径比p、弦杆的径厚比T、腹杆与弦杆的壁厚比f、搭接率 Ov有关。其中，p、丫、f这三个因素有比较显著的影响，而Ov影响较小。之后 又设计了96个搭接节点进行非线性有限元分析借以考察搭接顺序以及内隐蔽部 分焊接与否对其破坏模式以及极限承载力的影响。研究表明在低搭接率的情况 下贯通腹杆受拉的节点极限承载力略微大于贯通腹杆受压的节点极限承载力， 然而在大搭接率情况下前者可能会小于后者。在贯通腹杆受压的情况下，贯通 腹杆内隐蔽部分不焊接导致节点极限承载力小幅下降；在贯通腹杆受拉的情况， 贯通腹杆内隐蔽部分不焊接导致节点极限承载力下降较为明显。 本文对搭接节点与零间隙节点极限承载力进行分析比较，在中国规范零间 隙节点极限承载力的基础上乘以搭接修正系数％，通过多元回归技术得出搭接 节点极限承载力计算公式。通过公式本身的回归校验以及基于国际钢管节点试 验数据库中腹杆完全对称搭接节点极限承载力的统计分析，证明公式具有很好 的较高精度和适用性。在上述基础上设计了48个腹杆不对称搭接节点进一步进 行了两腹杆不对称时搭接节点极限承载力公式的适用性研究。通过与国际管节 点试验数据库中腹杆不完全对称搭接节点的统计分析，证明此搭接节点极限承 载力计算公式在腹杆不对称的情况下同样具有很好的适用性。 本文搭接节点研究的另外一个重要部分是搭接节点焊缝长度计算。建立相 交线方程，实现程序化计算两腹杆搭接时的相交线长度，给出了相交线长度的 近似计算公式。 最后，对于需进一步研究的课题进行了讨论。 关键词：平面K型圆钢管搭接节点，内隐蔽焊缝，破坏模式，极限承载力，单 调试验，有限元分析，焊缝长度 II