直接焊接连接节点的发展与管桁结构抗震性能研究

在钢管桁架结构中，相贯节点的破坏往往导致与之相连若干杆件的失效，从而影响结构承载能力并可能引起整个结构破坏。近年来，管桁结构的应用日渐普及，但对相贯节点抗震性能的研究相对滞后。这对管桁设计的安全性、经济性都造成了不同程度的影响。一般情况下，组成钢管桁架的杆件，散件运至现场进行拼装。为此经常造成连接节点隐藏焊缝焊与不焊的争议。

理论教育 2023-10-09

管桁结构相交节点抗震性能研究成果

常见非线性问题有几何非线性和材料非线性。材料非线性图2—1几何非线性情况图2—2常见金属材料本构关系材料非线性主要由材料应力-应变非线性本构关系引起。有限元分析中存在的非线性问题还有接触非线性、边界条件非线性等，非线性问题的增加会加大分析计算的复杂程度。

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有限元分析原理及管桁相交节点抗震性能研究

在固体力学方面，有限单元法应用较为广泛。有限元法分析的基本步骤为：将分析目标离散化将进行有限元分析的结构或构件离散为多个连续的有限单元。结合力学问题建立有限元分析基本方程有限元分析进行结构离散化和单元划分后，需要将相应力学问题用单元节点变量的基本方程表现。

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管桁结构相贯节点抗震性能分析

低周疲劳荷载作用下，焊材破坏过程由损伤累积引起，循环过程中，塑性应变累积，使材料性能不断劣化，焊材属于循环软化材料，材料性能退化表现有刚度退化，循环应力幅值退化，滞回环耗能能力降低。下面以材料应力幅值随循环周数的变化来对焊材损伤累积过程进行分析。母材为Q345钢的焊材比Q235钢的焊材循环半周数明显增多，表明材料强度对损伤退化和损伤累积速度也有影响。

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非线性动力时程分析法在管桁结构相交节点的抗震性能研究中的应用

由于此法是对运动方程直接求解，又称直接动力分析法。图7—1弹塑性时程分析框图1．地震波的输入输入地震动分为三种类型：拟建场地的实际强震记录、典型的强震记录、人工模拟地震波。结合国内外规范要求，为了便于分析，本书选用Elcentro波及Taft波两条地震动加速度时程曲线，经调整后用于结构分析。动力方程的数值积分算法：数值积分算法常用的有迭代法和增量法两种。在进行弹塑性地震分析时，取ξi＝ξj＝0．05。

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管桁结构相贯节点抗震性能研究成果

由落地式钢管桁架拱自振特性的单一参数分析可知，高跨比、宽高比、榀间距对桁架拱的动力性能影响显著，因此将高跨比、宽高比、榀间距作为三个变参数进行落地式钢管桁架的轴力分析。图7—28榀间距变化下的最大杆件轴力变化规律图7—29高跨比变化下的最大杆件轴力变化规律图7—30宽高比变化下的最大杆件轴力变化规律通过以上对落地式钢管桁架拱的动力响应变参数分析。

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管桁结构相贯节点抗震性能模拟分析结果

1．K型节点试件模拟结果与试验的比较各试件在往复荷载作用下的有限元计算结果和试验结果的比较如图5-21、图5-22所示。有限元计算总体上较好地预测了节点的滞回行为。图5—21试件有限元计算与试验曲线的比较图5—22试件有限元计算与试验骨架曲线的比较2．K型搭接节点试件节点处应力分布特点为了得到K型搭接节点试件节点处的应变分布特点，这里以试件K-YH02为例进行分析。

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焊材滞回性能与焊前钢材对比分析成果

SB1和SB2分别为Q345钢平行和垂直轧制方向的试件，其循环寿命差别不大，说明轧制方向对钢材循环特性的影响主要在Q235钢上体现。和焊材一样，钢材在疲劳裂纹稳定发展阶段，加载应变幅值对应力幅退化速度影响不大，对比疲劳破坏阶段，焊材的应变幅对损伤退化速率的影响大于钢材。以上现象表明焊材较钢材更易发生损伤累积。图3—10Q345钢材（母材）试件应力-应变（σ-ε）滞回曲线图3—11钢材应力幅值-无量纲循环半周数关系曲线

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管桁结构相交点抗震性能研究成果

榀间距越小、高跨比越大、宽高比越大，结构越不利，为此，在最优变参数中，取对结构最不利的参数进行落地式钢管桁架抗震简化分析。横截面仍为倒三角形，杆件规格：上弦杆φ219×8，下弦杆φ299×16，腹杆和横隔φ121×6。表7-6基本参数取值通过改变基本模型的场地类别、地震分组分析水平地震影响因子K的变化规律。表7-7上弦杆的水平地震影响因子表7-8下弦杆的水平地震影响因子表7-9腹杆的水平地震影响因子

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管桁节点抗震性能研究：基本分析模型设计

表7-2桁架杆件截面尺寸荷载的确定：考虑结构的自重、悬挂物、防水层重，结构由永久荷载控制，其荷载分项系数为1．35，可变荷载分项系数为1．4，不考虑风荷载。加5个侧向支撑点，约束水平方向的侧移，在结构分析中引入COMBIN14单元模拟侧向支撑［87］。地震取值：8度设防烈度，0．2g，设计分组第一组，Ⅱ类场地，结构的阻尼比取为0．02。图7—5落地式钢管桁架分析模型

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管桁结构相交节点抗震性能研究：试验结果与分析

滞回性能试验结果通常用荷载-变形的滞回曲线及有关参数来加以分析。②在相同荷载下，K-YN01和K-YN02的变形大约是K-YH01和K-YH02的变形的1．2倍。节点域腹杆上的应变分布规律图5-12给出了不同节点试件腹杆相贯线周边测点应变强度分布规律。5．节点承载力分析本书1．2．2表1-4给出了圆钢管K节点的各种破坏模式。

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管桁结构相贯节点抗震性能研究-有限元算法程序及说明

用公式和当前值更新为返回假定下一步｛εn｝后重复～的计算步骤。计算等效塑性应变、等效塑性应变增量、等效应力参数和应力比N。应力比按下式计算：当发生屈服时N大于等于1，当应力状态处于弹性时N等于1。等效塑性应变与加载历史有关，故定义为：等效应力参数定义为：当，即未发生塑性应变时等于屈服应力仅在加载历史的初始单调递增阶段有意义。

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管桁结构相贯节点抗震性能研究进展

针对钢管节点承载力的研究方法主要有理论分析与实验研究两大类。钢结构连接节点抗震性能的研究进展从国际范围来看，可划分为以下三个基本阶段［21］［22］，各阶段的主要研究热点如表1-3所示。表1-3管节点抗震性能研究进展可以看出，以塑性耗能为导向的节点工作机理的研究已成为节点研究最热点的问题。管桁结构相贯节点抗震性能研究主要对低周往复荷载作用下相贯节点弹塑性滞回性能展开研究。

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损伤累积演化方程在管桁结构相贯节点的抗震性能研究中的应用

从能量角度对损伤累积演化规律进行研究，建立损伤变量关于热力学内部状态变量的演化方程。首先需要确定包含包括损伤变量在内的各内部变量的耗散势函数，对损伤变量D求偏导数得到损伤变量的演化方程。在循环荷载作用下，损伤随着循环周数的增加不断累积，损伤累积演化方程需要反映损伤累积的特性。

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管桁结构相贯节点抗震性能试验研究成果

采用拟静力试验进行管桁结构K型搭接节点的试验研究。K型节点是管桁结构中最基本的节点型式，其他节点型式基本上是K节点的衍生与发展，如T型节点及N型节点可以说是其特例。因此选取了具有代表性的K型、KK型搭接节点作为研究对象。影响管桁结构搭接节点滞回性能的因素很多，如节点不同的焊接方式、支管搭接方式、节点几何特征参数、节点荷载类型、加载制度等。

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焊材损伤累积滞回模型对循环荷载的影响

在损伤累积演变方程的基础上，进一步研究焊材在循环荷载作用下的本构关系，建立其损伤累滞回模型。如图3-20，焊材低周疲劳试验结果表明，其在循环荷载作用下屈服前的循环应力-应变曲线部分呈线性，与单向荷载作用下的弹性应力-应变关系相吻合。焊材属于循环软化材料，在循环荷载作用下损伤退化主要体现在应力幅值退化和卸载弹性模量退化，且具有不可逆特性，同时考虑拉压半循环的不完全对称，滞回模型的损伤退化按半循环考虑。

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