K型系列圓鋼管節(jié)點(diǎn)靜力性能和設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、隨著大跨度空間鋼管結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，K型系列圓管節(jié)點(diǎn)(諸如平面K型、空間KK型以及空間KT型節(jié)點(diǎn)等)作為相貫直接焊接節(jié)點(diǎn)的主要表現(xiàn)型式，大量地存在于結(jié)構(gòu)之中。然而，現(xiàn)行國內(nèi)外規(guī)范對(duì)于空間KK型搭接節(jié)點(diǎn)和空間KT型節(jié)點(diǎn)尚無具體設(shè)計(jì)規(guī)定。對(duì)于重大工程中較為復(fù)雜的該類型節(jié)點(diǎn)，目前只能通過試驗(yàn)手段來確定其受力性能。研究工作的滯后給工程設(shè)計(jì)的安全性、經(jīng)濟(jì)性已造成不利影響。對(duì)K型系列圓管節(jié)點(diǎn)靜力性能進(jìn)行全面深入的研究，在此基礎(chǔ)上建立可靠、實(shí)用、系統(tǒng)的

2、K型系列圓管節(jié)點(diǎn)承載力設(shè)計(jì)公式，用以指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)和實(shí)踐，已成為目前亟待解決的課題。 在圓管相貫節(jié)點(diǎn)研究中，平面K型圓鋼管節(jié)點(diǎn)極限承載力的研究成果最為豐富。但并非所有問題都已得到圓滿解決，目前規(guī)范或研究中尚存在如下不足或未考慮的影響因素：①在公式形式上，中國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50017-2003公式主要建立在間隙節(jié)點(diǎn)基礎(chǔ)上，對(duì)搭接節(jié)點(diǎn)按間隙為零考慮，整體上偏于保守，同濟(jì)大學(xué)近年的研究對(duì)此做了修正，得到了平面K型搭接節(jié)點(diǎn)，但由此得到

3、的平面K型節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算公式有兩個(gè)，未統(tǒng)一公式形式，而Eurocode3、AIJ均用一個(gè)統(tǒng)一的公式來計(jì)算平面K型間隙和搭接節(jié)點(diǎn)；②在承載力研究上，影響搭接節(jié)點(diǎn)承載力的諸多因素(如搭接順序、內(nèi)隱蔽部分焊接與否等)在現(xiàn)有各規(guī)范公式中尚未得到反映。本論文的研究綜合考慮了上述平面K型圓管節(jié)點(diǎn)承載力的諸多影響因素，建立了有限元分析模型并經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，適應(yīng)性良好；在此基礎(chǔ)上，對(duì)平面K型節(jié)點(diǎn)型式進(jìn)行了非線性有限元計(jì)算，建立了極限承載力結(jié)果數(shù)據(jù)庫；以此

4、為依據(jù)通過多元非線性回歸，給出了可以進(jìn)行平面K型間隙和搭接節(jié)點(diǎn)極限承載力計(jì)算的統(tǒng)一公式形式，進(jìn)而提出了承載力設(shè)計(jì)值建議公式；并基于國際管節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫中試驗(yàn)數(shù)據(jù)與現(xiàn)有規(guī)范公式進(jìn)行了縱橫向比較評(píng)價(jià)，證明本文回歸的公式具有較高精度和可靠性；最后基于兩腹桿不對(duì)稱或弦桿帶有附加軸力的國際管節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫中的試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，考察了本文回歸公式的適用性。結(jié)果表明，本論文提出的平面K型節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算公式形式上統(tǒng)一，由間隙型過渡到搭接型，連續(xù)性好、中間無突變；且

5、影響承載力的諸多因素在公式中得到了綜合反映；建議公式具有形式統(tǒng)一、公式全面、結(jié)果精確和安全可靠的特點(diǎn)。 對(duì)于空間KK型節(jié)點(diǎn)，為研究方便和需要，本文首先根據(jù)單K平面內(nèi)外間隙或搭接與否將空間KK型節(jié)點(diǎn)細(xì)分為四類。對(duì)各類空間KK型節(jié)點(diǎn)，均以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從節(jié)點(diǎn)破壞模式、變形過程和極限承載力等方面對(duì)節(jié)點(diǎn)的非線性有限元分析模型進(jìn)行了校準(zhǔn)；在此基礎(chǔ)上，對(duì)每類節(jié)點(diǎn)的破壞模式、破壞機(jī)理、無量綱參數(shù)對(duì)承載力的影響等進(jìn)行了有限元分析。結(jié)果表明：①

6、各類空間KK型節(jié)點(diǎn)在最終破壞時(shí)，表現(xiàn)為不同的破壞模式：空間KK—Gap型節(jié)點(diǎn)主要發(fā)生CLD1(弦桿管壁塑性破壞且兩受壓腹桿之間的弦桿管壁無局部變形)或CLD2(弦桿管壁塑性破壞且兩受壓腹桿之間的弦桿管壁外凸變形顯著)破壞；空間KK—OPOv型節(jié)點(diǎn)主要表現(xiàn)為CLD1破壞；空間KK—IPOv型節(jié)點(diǎn)主要為CLD2+BLB的聯(lián)合破壞；而空間KK—Ov型節(jié)點(diǎn)則以CLD3(弦桿管壁塑性破壞且兩受壓腹桿之間的弦桿管壁內(nèi)凹變形顯著)+BLB破壞為主。②

7、空間幾何參數(shù)ξt對(duì)各類空間KK型節(jié)點(diǎn)破壞模式的影響不同：對(duì)單K平面內(nèi)為搭接的空間KK—IPOv型節(jié)點(diǎn)、空間KK—Ov型節(jié)點(diǎn)破壞模式基本無影響；而對(duì)單K平面內(nèi)為間隙的空間KK—Gap型節(jié)點(diǎn)、空間KK—OPOv型節(jié)點(diǎn)的破壞模式影響較大，在ξt≤0.18時(shí)將會(huì)發(fā)生CLD1破壞，在ξt≥0.22時(shí)將會(huì)發(fā)生CLD2破壞，而在0.18＜ξt＜0.22時(shí)兩種破壞模式均有可能發(fā)生。③空間幾何參數(shù)ξt對(duì)各類空間KK型節(jié)點(diǎn)極限承載力的影響不同：對(duì)空間KK—

8、IPOv型節(jié)點(diǎn)基本無影響；而對(duì)空間KK—Gap型節(jié)點(diǎn)、空間KK—OPOv型節(jié)點(diǎn)和空間KK—Ov型節(jié)點(diǎn)的極限承載力有明顯影響。 在上述參數(shù)分析的基礎(chǔ)上，本文對(duì)空間KK型節(jié)點(diǎn)承載力公式及其形式進(jìn)行了研究。首先在試驗(yàn)實(shí)證的基礎(chǔ)上對(duì)國內(nèi)外規(guī)范公式進(jìn)行了考查，揭示了規(guī)范公式和目前研究中的不足或未考慮的影響因素：①現(xiàn)行國內(nèi)外規(guī)范均是在平面K型節(jié)點(diǎn)承載力的基礎(chǔ)上乘以一個(gè)不變的折減系數(shù)0.9來得到空間KK型節(jié)點(diǎn)承載力，盡管簡單但卻未能充分反映空

9、間參數(shù)變化的影響；②目前國內(nèi)外已有的試驗(yàn)研究和相關(guān)文獻(xiàn)及規(guī)范大多僅僅局限于空間KK型平面內(nèi)外均為間隙節(jié)點(diǎn)的研究，而對(duì)于實(shí)際工程中KK型搭接節(jié)點(diǎn)的性能、破壞模式、空間作用的相互影響程度等尚無深入研究，既有公式亦未對(duì)空間KK型搭接節(jié)點(diǎn)做出規(guī)定?；诖?，本文提出了空間KK型節(jié)點(diǎn)的承載力公式形式，并對(duì)公式中的空間調(diào)整系數(shù)μKK進(jìn)行了回歸和校驗(yàn)，證明空間調(diào)整系數(shù)函數(shù)關(guān)系式正確反映了空間參數(shù)變化的影響；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了承載力設(shè)計(jì)值建議公式，

10、經(jīng)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)和有限元數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析以及與現(xiàn)有規(guī)范公式的橫向比較評(píng)價(jià)，表明本文建議公式具有較高精度和可靠穩(wěn)定性，可以較為安全可靠地用于空間KK型圓管節(jié)點(diǎn)的承載力設(shè)計(jì)。 國內(nèi)近年來的工程實(shí)踐表明，在大跨度鋼管結(jié)構(gòu)中，除KK型節(jié)點(diǎn)外，KT型節(jié)點(diǎn)也日漸成為一種常見的空間節(jié)點(diǎn)基本形式。但目前對(duì)空間KT型節(jié)點(diǎn)的靜力性能研究尚未充分展開，國內(nèi)外設(shè)計(jì)規(guī)范(指南、手冊(cè))均未提供此類空間節(jié)點(diǎn)形式的承載力強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式。在國際管節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫中，亦未有空間

11、KT型節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。國內(nèi)僅做了少數(shù)幾個(gè)試驗(yàn)，未進(jìn)行深入理論研究和有限元分析，更無承載力計(jì)算公式?；诖?，本文歸納并整理了上海體育場、上海旗忠網(wǎng)球中心以及蘇州國際博覽中心的相關(guān)空間KT型節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)，細(xì)分為三種類型；并以試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，建立了滿足精度要求并通過試驗(yàn)校準(zhǔn)的適應(yīng)性良好的各類空間KT型圓管相貫節(jié)點(diǎn)數(shù)值分析模型；在此基礎(chǔ)上進(jìn)行幾何無量綱參數(shù)和荷載參數(shù)的非線性有限元分析，考查各類空間KT型圓管節(jié)點(diǎn)的破壞模式、荷載—位移曲線以及無量綱參

12、數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)極限承載力的影響，并與平面K型搭接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行比較研究。結(jié)果表明：空間KT型節(jié)點(diǎn)與相應(yīng)平面K型搭接節(jié)點(diǎn)具有相同的破壞模式，但由于空間節(jié)點(diǎn)單T平面內(nèi)腹桿的存在，使得空間節(jié)點(diǎn)與平面節(jié)點(diǎn)的塑性擴(kuò)展區(qū)域有所不同；用平面K型節(jié)點(diǎn)承載力公式來預(yù)測空間KT型節(jié)點(diǎn)承載力是不合適的，或者偏于保守，或者偏于不安全。參數(shù)分析表明，ξ對(duì)空間KT—Gap型及KT—Ov型節(jié)點(diǎn)極限承載力是有影響的，但對(duì)空間KT—IPOv型節(jié)點(diǎn)幾乎沒有任何影響；腹桿軸力比nTK對(duì)

13、節(jié)點(diǎn)極限承載力的影響是獨(dú)立的，不受節(jié)點(diǎn)幾何參數(shù)變化的影響；｜nTK｜≤0.2時(shí)，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)承載力分析可忽略單T平面內(nèi)腹桿所受軸力影響；無論單T平面內(nèi)腹桿受壓還是受拉，均會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)極限承載力的降低，在單T平面內(nèi)腹桿不受力(即nTK=0)時(shí)，空間KT型節(jié)點(diǎn)極限承載力達(dá)到最大值。 上述參數(shù)分析為進(jìn)一步提出空間KT型節(jié)點(diǎn)極限承載力計(jì)算公式奠定了基礎(chǔ)。本文分別定義了空間調(diào)整系數(shù)μKT和腹桿軸力比影響系數(shù)Qn來考慮空間參數(shù)和各腹桿軸力相對(duì)變化

14、對(duì)節(jié)點(diǎn)極限承載力的影響，并進(jìn)行了回歸和校驗(yàn)，證明兩個(gè)系數(shù)函數(shù)關(guān)系式均正確反映了空間參數(shù)和荷載參數(shù)變化的影響；在平面K型節(jié)點(diǎn)承載力的基礎(chǔ)上乘以空間調(diào)整系數(shù)μKT以及腹桿軸力比影響系數(shù)Qn，從而得到了一個(gè)形式較為簡單的空間KT型節(jié)點(diǎn)極限承載力計(jì)算公式；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了承載力設(shè)計(jì)值建議公式，經(jīng)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)和有限元數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，表明本文建議公式具有較高精度和可靠穩(wěn)定性，可以較為安全可靠地用于空間KT型圓管節(jié)點(diǎn)的承載力設(shè)計(jì)。 綜上

15、所述，本文在評(píng)述國內(nèi)外K型系列圓管節(jié)點(diǎn)相關(guān)領(lǐng)域研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，以平面K型、空間KK型、空間KT型節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，從有限元計(jì)算和理論分析方面對(duì)K型系列圓管節(jié)點(diǎn)靜力性能進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。對(duì)每類節(jié)點(diǎn)，依次進(jìn)行試驗(yàn)校準(zhǔn)、有限元模擬、參數(shù)分析、承載力公式回歸、回歸校驗(yàn)，在嚴(yán)密的有限元計(jì)算和理論分析的基礎(chǔ)上，建立了形式統(tǒng)一、簡潔實(shí)用、精度較高、安全可靠的平面K型節(jié)點(diǎn)承載力公式；首次系統(tǒng)的研究了空間KK型節(jié)點(diǎn)的空間調(diào)整系數(shù)的主要影響因素，并通過