钢管相贯节点连接焊缝受力机理与断裂行为研究

直接焊接钢管结构以其优越的受力性能在大型复杂空间结构中得到了广泛应用，但因直接相贯节点处交汇钢管的数量、角度、截面形状与尺寸的不同，导致相贯线处连接焊缝的受力非常复杂，加上焊接缺陷的影响，极易造成突发性的、危害大的脆性断裂，严重影响结构的安全性和耐久性。目前国内外对钢管相贯节点连接焊缝的研究还未形成理论体系，研究仅限于焊接工艺等局部领域，对其脆性断裂的力学机理和工程设计方法几无涉及。本项目对不同类型的钢管相贯节点连接焊缝的受力机理与断裂行为进行试验研究和理论分析，主要从三种类型节点着手：X形钢管连接节点、钢管折线形节点及N形方圆钢管相贯节点。重点研究了复杂受力状态下连接焊缝的应力分布规律、极值应力点位置的确定，应力集中系数，裂纹尺寸，断裂韧性，焊缝缺陷时应力强度因子增加规律，几何参数变化热点应力的变化规律，支管弦管上的应力沿轴向的分布规律。得出了节点域附近在荷载作用的变形情况，分析了其刚度特征。提出了考虑焊缝影响的承载力计算公式以及连接焊缝脆性断裂的计算模型，进而提出了防止其断裂的设计方法和技术措施，为完善这类节点的设计理论提供了可靠依据。 2100433B

直接焊接钢管结构以其优越的受力性能在大型复杂空间结构中得到了广泛应用，但因直接相贯节点处交汇钢管的数量、角度、截面形状与尺寸的不同，导致相贯线处连接焊缝的受力非常复杂，加上焊接缺陷的影响，极易造成突发性的、危害大的脆性断裂，严重影响结构的安全性和耐久性。目前国内外对钢管相贯节点连接焊缝的研究还未形成理论体系，研究仅限于焊接工艺等局部领域，对其脆性断裂的力学机理和工程设计方法几无涉及。本项目将对钢管相贯节点连接焊缝的受力机理与断裂行为进行试验研究和理论分析。重点研究复杂受力状态下连接焊缝的应力分布规律、极值应力点位置的确定，应力集中系数，裂纹尺寸，断裂韧性，焊缝缺陷时应力强度因子增加规律，几何参数变化热点应力的变化规律，支管弦管上的应力集中系数沿轴向的分布规律。提出其连接焊缝脆性断裂的计算模型，进而提出防止其断裂的设计方法和技术措施，为完善这类节点的设计理论提供可靠依据。

高强度钢材能减轻结构自重、节约钢材，具有良好的社会经济效益。我国03版《钢结构设计规范》中规定钢管相贯节点条文只适用于屈服强度不超过345MPa的材料，而2017年颁布的新版规范借鉴欧洲规范，取消了该限制，但特别指出对高强度钢管相贯节点的受力性能尚缺乏研究。事实上，高强度钢材由于其强度提高，塑性降低，屈强比增大，韧性变差而脆性断裂倾向增大，对焊缝缺陷更为敏感。因此，本项目采用理论分析、试验研究和数值模拟相结合的方法，从高强度钢管相贯节点的材料、焊缝和构造细节、节点等三个层面开展逐步深入的研究。积累高强度钢管的材料及其焊缝力学性能试验数据，建立预测高强度钢管相贯节点破坏的两类模型，并进行典型节点的验证性试验，进而进行参数分析，得到了节点材性、连接焊缝、局部构造、几何参数等对节点性能的影响规律，提出了适用于高强度钢材、能准确考虑焊缝承载力的钢管相贯节点设计方法，为完善这类节点的设计理论提供了可靠依据。

高强度钢材能减轻结构自重、节约钢材，具有良好的社会经济效益。我国03版《钢结构设计规范》中规定钢管相贯节点条文只适用于屈服强度不超过345MPa的材料，而即将颁布的新版规范借鉴欧洲规范，取消了该限制，但特别指出对高强度钢管相贯节点的受力性能尚缺乏研究。事实上，高强度钢材由于其强度提高，塑性降低，屈强比增大，韧性变差而脆性断裂倾向增大，对焊缝缺陷更为敏感。因此，本项目将采用理论分析、试验研究和数值模拟相结合的方法，从高强度钢管相贯节点的材料、焊缝和构造细节、节点等三个层面开展逐步深入的研究。积累高强度钢管的材料及其焊缝力学性能试验数据，建立预测高强度钢管相贯节点破坏的两类模型，并进行典型节点的验证性试验，进而进行参数分析，得到节点材性、连接焊缝、局部构造、几何参数等对节点性能的影响规律，提出适用于高强度钢材、能准确考虑焊缝承载力的钢管相贯节点设计方法，为完善这类节点的设计理论提供提可靠依据。

为解决薄壁圆钢管混凝土相贯节点在工程应用中所面临的缺少相应的试验和理论研究基础的问题，本项目展开了对薄壁圆钢管混凝土相贯节点的力学性能和工作机理研究。通过加载试验，探明T,Y ,K与KT 型节点受轴力和T型节点受弯矩作用下的力学性能和破坏模式；基于试验结果，建立节点的有限元数值模型；结合试验结果和数值模型细部分析结果，探讨不同类型节点的内部工作机理，建立相应的理论力学模型，进而提出薄壁圆钢管混凝土相贯节点在正常使用状态和极限破坏状态下的系统设计方法。核心研究成果发表于Journal of Structural Engineering-ASCE与 建筑结构学报，填补了国内外在这方面的研究空白。研究成果使得对于钢管混凝土相贯节点的设计可以考虑内部混凝土的作用，从而大幅减少对于加劲肋的需要，节省了钢材和焊接工作量。研究成果应用于舟山、乐清和六横6座大跨越钢管混凝土输电塔工程节点设计中，节省工程造价每座约300万元。 2100433B