圓管—圓管混凝土T型焊接節(jié)點熱點應(yīng)力和疲勞強度研究.pdf

1、因優(yōu)良的結(jié)構(gòu)性能和柔和明快的外觀，圓管結(jié)構(gòu)已在國內(nèi)外的土木、建筑、海洋、機(jī)械等結(jié)構(gòu)中得到普遍應(yīng)用。在圓管桁架的主管里填充混凝土又是一種新型的鋼—混組合結(jié)構(gòu)，可顯著提高圓管桁架整體的承載能力，近年來我國已越來越多地應(yīng)用于大跨度桁式拱橋，至今最大的跨度為460米的巫峽長江公路大橋。有關(guān)鋼管混凝土焊接節(jié)點疲勞性能，目前還缺乏了解和研究，但是鋼管混凝土桁式拱橋日益增長的應(yīng)用已表明節(jié)點疲勞性能研究的需要。本文所研究的內(nèi)容是國家自然科學(xué)基金課題的一

2、部分，針對圓管-圓管混凝土T型節(jié)點的疲勞性能展開深入的研究。 本文首先對鋼管結(jié)構(gòu)的發(fā)展、鋼管焊接節(jié)點與鋼管混凝土焊接節(jié)點疲勞強度的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，介紹了疲勞問題的基本概念和常用鋼管焊接節(jié)點疲勞設(shè)計的方法，并對本文采用的熱點應(yīng)力法的諸多方面進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。 利用熱點應(yīng)力法分析節(jié)點的疲勞性能，首先要了解節(jié)點的應(yīng)力分布特性。為此，本文設(shè)計了一批包含各種典型幾何參數(shù)和混凝土標(biāo)號的鋼管混凝土T型節(jié)點試件，對圓管支管—圓管混凝

3、土主管焊接節(jié)點分別在支管軸力和平面彎矩作用下的熱點應(yīng)力及其應(yīng)力集中系數(shù)SCF進(jìn)行了試驗研究。內(nèi)容包括加載系統(tǒng)的設(shè)計、節(jié)點區(qū)局部應(yīng)力梯度的精確測量、試驗結(jié)果的分析、應(yīng)變外推方法的比較等，為后續(xù)大規(guī)模的有限元分析的可靠性提供了依據(jù)。 本文采用實體單元對14個完成試驗的試件進(jìn)行了有限元計算，對照試驗結(jié)果，從單元的類型、精度、網(wǎng)格劃分、建模參數(shù)、接觸因子、外推方法等多方面檢驗了有限元計算鋼管混凝土焊接節(jié)點的有效性，并且應(yīng)用有限元分析了熱

4、點應(yīng)力集中系數(shù)SCF和熱點應(yīng)變集中系數(shù)SNCF之間的關(guān)系。 本文對國外已有的空鋼管SCF計算公式進(jìn)行了剖析，揭示了各個參數(shù)對于節(jié)點SCF的影響效應(yīng)，確定了鋼管混凝土節(jié)點參數(shù)分析需重點考慮的參數(shù)。進(jìn)行了有限元參數(shù)分析，掌握了各幾何參數(shù)變化對SCF的影響規(guī)律。本文推導(dǎo)了等效鋼管壁厚計算公式，提出了依據(jù)等效壁厚、利用空鋼管SCF公式來計算鋼管混凝土節(jié)點SCF的方法，并且利用有限元數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)對此方法進(jìn)行了驗證。 本文對11個

5、焊接節(jié)點(1個空鋼管焊接節(jié)點，10個鋼管混凝土焊接節(jié)點)進(jìn)行了軸拉力作用下的疲勞試驗。為了了解節(jié)點相貫焊縫處的焊縫缺陷是否對節(jié)點的疲勞性能產(chǎn)生重要影響，在試驗之前，對進(jìn)行疲勞試驗的節(jié)點進(jìn)行了無損檢測。節(jié)點疲勞試驗時，對疲勞裂紋的萌生位置、擴(kuò)展路徑、最后斷裂作了全過程監(jiān)測。 對疲勞試驗結(jié)果進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計，提出了適用于圓鋼管混凝土T型焊接節(jié)點的S-N疲勞強度曲線和疲勞設(shè)計方法，并與CIDECT、AWS、API、DNV等規(guī)程的S-N曲線