钢管混凝土节点承载力计算方法

钢管混凝土桁式结构广泛应用于桥梁工程中。为探明钢管混凝土节点的破坏机理,得到其承载力计算方法,系统汇总了国内外报道的圆形和矩形钢管混凝土节点试验数据,并根据节点形状和支管受力形式,分为139个受压节点、16个受拉节点和38个K型节点,分析主管内填混凝土对节点构造、破坏模式和承载力的改善,提出钢管混凝土节点设计流程和承载力计算方法。研究结果表明:在满足节点构造和焊接要求前提下,主管表面钢板层状撕裂破坏、焊缝破坏和受拉支管背面主管顶板局部屈曲破坏可以有效避免。对于受压节点,空钢管节点可能发生主管侧壁屈曲或表面屈服线破坏,而主管内填混凝土后,其破坏模式变为横向局部承压破坏,承载力平均提高8.3倍,不需要进行受压节点验算;对于受拉节点,管内混凝土能提高节点受拉刚度,破坏模式趋于主管表面冲剪破坏;对于K型节点,承载力以受拉支管控制,主要发生主管表面冲剪破坏,其强度与支管有效宽度破坏相当,即实现节点和钢管杆件等强设计,此外,考虑主管混凝土抗剪贡献后,主管抗剪承载力提高1.1~1.3倍;提出了钢管混凝土节点设计流程,并给出其节点承载力计算方法,圆形和矩形钢管混凝土节点均以受拉支管控制,需进行主管表面冲剪破坏和支管有效宽度破坏验算,同时,矩形钢管混凝土节点还需进行主管间隙处剪切破坏验算。     

钢管混凝土K形节点脱空后的承载力与防脱空措施研究

为研究钢管混凝土K形节点脱空后的承载力以及防脱空措施，通过有限元方法，模拟计算了钢管混凝土K形节点脱空后的力学性能，提出了防脱空建议，并进行了验证。结果表明，当支管壁厚较小时，不同脱空率下节点破坏模式均为受压支管局部屈曲破坏，极限承载力大致相同，脱空只影响节点弹性刚度，且节点弹性刚度随着脱空率的增大而逐渐减小；支管管壁较厚时，破坏模式为主管表面塑性破坏或冲剪破坏；随着脱空率的增大，节点的刚度及承载力均逐渐下降；主管内增设PBL后，主管表面刚度得到提高，不同脱空率下节点破坏模式均变为受压节点的局部屈曲破坏，各模型承载力大致相同；相比于原脱空钢管混凝土节点，节点刚度及承载力均有提高；PBL可显著降低核心混凝土脱空产生的不利影响，当脱空率较大时，PBL作用更加明显。     

平面KT型圆钢管搭接节点有限元参数分析与承载力公式研究

采用有限元软件,合理选用边界条件、加载方式、单元形状与类型、材料以及几何非线性等建立有限元模型,以试验结果[1]为基础,验证了模型的可靠性。参数化分析结果表明,被搭接支管受压时,其隐蔽部分是否焊接对节点承载力影响不大,被搭接支管受拉时,隐蔽部分是否焊接对节点承载力有较大影响。几何参数β(支管主管直径比)、γ(主管径厚比)对平面KT型圆钢管搭接节点承载力有显著影响,且β、γ两者对节点承载力也相互影响。γ较小时,τ对节点承载力有显著影响,γ较大时,τ对节点承载力影响不大。搭接率Ov对节点承载力影响不显著。利用多元线性回归分析技术,对有限元参数化分析结果进行回归分析,得到平面KT型圆钢管搭接节点承载力参数公式,最后,从适用性、安全性、连续性等方面验证了参数公式的可靠性。     

钢管混凝土K型节点应力集中系数分析

在管节点疲劳破坏的研究中,应力集中系数是评价其疲劳寿命的重要参数之一。应力集中系数一般通过实验及精细的有限元模型得到,本文利用精细的有限元模型计算得到。运用有限元软件ANSYS对K型空心钢管,钢管混凝土节点进行计算,研究节点在支管轴压,主管轴压,共同作用下对钢管混凝土节点及其应力集中系数大小与分布的影响。     

PBL加劲型矩形钢管混凝土组合桁梁桥设计

高速公路跨线桥黄延桥为(24+40+24)m连续刚构体系PBL加劲型矩形钢管混凝土组合桁梁桥。该桥主梁采用矩形钢管桁架和混凝土行车道板构成的组合桁梁;桥墩采用Y形双肢矩形钢管混凝土树状桥墩,下设菱形承台+钻孔灌注桩基础。在负弯矩区下弦杆和Y形桥墩的矩形钢管内设置PBL纵肋并灌注混凝土,形成PBL加劲型矩形钢管混凝土断面,以提高杆件承载力、改善受压钢管局部屈曲性能。为提高该桥PBL加劲型矩形钢管混凝土节点的承载力、改善节点的失效模式,采取主管内灌注混凝土和支管与主管同宽两项优化措施。混凝土桥面板通过上弦闭口PBL开孔预埋钢板连接件与主桁相连。桥墩通过纵、横向呈方格网络集中布置的PBL开孔钢板与承台固结。     

宿淮京杭运河特大桥管节点的疲劳性能研究

工程中常用的评价管节点疲劳寿命的方法是使用S-N曲线.当管节点承受疲劳荷载作用的时候,可以通过数值方法得到沿着焊缝处的热点应力幅的大小.采用有限元软件ANSYS计算了宿淮铁路京杭运河特大桥的H3横撑T形管节点在轴向力、平面内弯矩以及平面外弯矩作用下的热点应力,根据相关计算方法得出节点处应力集中系数以及支管和弦管应力集中系数的分布,通过计算发现,最大应力集中系数出现在支管,说明在疲劳荷载作用下,支管会先破坏.然后通过S-N曲线,可以预测此节点在破坏前可以承受疲劳载荷的循环次数.     

支管缺陷对钢管混凝土空间相贯节点承载能力影响

为确定支管设置切割孔和混凝土亏空的钢管混凝土空间相贯节点的承载力和破坏模式,以某上承式钢管混凝土劲性骨架拱桥为背景,针对其拱肋钢管混凝土空间KK形相贯节点,采用Abaqus软件建立有限元模型,分析带切割孔和混凝土亏空的节点的承载力和破坏模式,并研究切割孔参数对节点承载力的影响。结果表明:支管壁设置切割孔会导致钢管混凝土空间节点的承载力降低,破坏模式由支管屈服变为支管局部屈曲;钢管混凝土空间节点的承载力随切割孔直径的增大而降低,切割孔位置对承载力的影响较小;支管内混凝土亏空会导致钢管混凝土空间节点的承载力降低,破坏模式由支管屈服变为主管壁冲剪破坏。     

PBL加劲型矩形钢管混凝土结构力学性能研究综述

为改善钢管混凝土套箍效应和节点传力可靠性问题,提出PBL加劲型矩形钢管混凝土结构,从管壁局部屈曲力学性能、构件力学性能、界面力学性能和节点力学性能4个方面,对已有研究成果进行总结,并与传统的钢管混凝土结构进行对比,综述了不同结构的宽厚比限值、轴压强度、轴压稳定、抗弯性能、压弯性能、剪切-滑移本构关系、节点传力长度、疲劳荷载作用下钢-混界面黏结性能、节点静力性能和节点疲劳性能,系统地阐述了PBL加劲型矩形钢管混凝土结构的力学性能优势。结果表明:在轴压和压弯荷载作用下,由于混凝土的支撑作用,以及PBL纵肋的加劲和连接作用,钢管的宽厚比限值相比矩形钢管混凝土结构提高到2倍以上;PBL加劲型矩形钢管混凝土构件轴压承载力相比矩形钢管混凝土有所提高,同时,PBL纵肋保证了构件的完全黏结,组合作用得到发挥,结构的轴压和抗弯刚度也得到提高;PBL加劲肋孔中的混凝土榫提供了较大的抗剪承载力,界面强度相比矩形钢管混凝土提高2倍以上,剪切模量提高3倍以上,有效缩短了节点传力长度,且疲劳荷载作用下,界面性能更可靠;管内PBL纵肋的抗拔作用,可有效限制节点部位主管表面弯曲变形,使节点刚度和承载力得到提高,焊趾位置热点应力集中系数明显减小,疲劳性能得到改善。     

部分内填混凝土钢桁梁焊接整体节点试验

为明确部分内填混凝土设计方案在焊接整体钢桁梁结构中的适用性,设计了2组不同混凝土填充范围的T形焊接整体节点试件,对其在水平和竖向荷载下的静力性能进行试验研究,分析了弦杆内填混凝土长度对节点刚度、应力应变分布、极限承载力、破坏模态等性能指标的影响.结果表明:与空心节点相比,弦杆内部分或完全填充混凝土之后,节点的弦杆翼板压屈破坏得到有效避免,钢板应力水平出现较明显降低,且节点的弹性刚度、屈服强度和极限强度显著提高;而部分填充混凝土方案与完全填充混凝土方案的节点力学性能则区别甚微.     

基于实桥试验的钢管混凝土桁梁桥力学性能研究

钢管混凝土桁梁桥由钢管混凝土桁架和钢-混凝土组合桥面板组成,作为一种新型的组合结构桥梁,具有承载能力高、刚度大和抗震性能优异等特点,为研究其力学性能,选择在某30m跨钢管混凝土桁梁桥进行实桥测试,对钢管混凝土构件及桁梁桥的整体力学性能进行了研究。试验研究结果表明:在550kN试验荷载下,各杆件在加载过程中始终处于弹性工作状态,实测值和有限元计算值较为吻合;下缘同时存在轴力和弯矩作用,且主管应力水平较低;支管在两端承受相反的弯矩作用,热点应力和名义应力均处于较低水平;主梁整体刚度大,偏载效应较为明显。     

钢管混凝土系杆拱桥关键节点的受力行为

为研究钢管混凝土系杆拱桥关键节点的受力行为,以某钢管混凝土系杆拱桥为工程背景,采用有限元方法对其全过程非线性受力行为进行深入分析。首先,建立钢管混凝土拱桥整体模型,对其整体受力行为进行分析,提取系杆拱桥关键节点在设计荷载工况下的最不利内力情况;然后以力边界条件形式施加给节点三维精细有限元模型,对拱脚节点和拱肋吊装节点在设计荷载工况下进行应力分析,探讨2种节点在设计荷载工况下的受力行为;最后,考虑材料非线性行为,采用弧长法对2类节点极限承载力进行分析,探讨其承载非线性行为及安全储备。研究结果表明:这2种节点构造形式在设计荷载工况下均安全可靠,且具有较大的安全储备;拱脚节点区拱肋钢管与系梁上翼缘板相交处存在明显的应力集中现象,该处构造复杂,焊缝多,设计时应重点关注;吊装节点区下弦钢管径向刚度小,采用环向加劲肋加强后,对钢管刚度及承载力均有显著改善。     

矩形钢管混凝土桁架节点极限承载力研究

采用退化壳单元和三维实体单元分别模拟钢管和混凝土,考虑材料非线性、钢管与混凝土的接触非线性,对矩形钢管混凝土桁架节点的极限承载能力进行了研究。采用该方法对Y型节点、X型节点、T型节点以及K型节点进行非线性有限元分析得到的极限荷载值与试验破坏荷载值较为吻合。为矩形钢管混凝土节点极限承载力的分析提供了一个合适的方法,同时为矩形钢管混凝土桁梁桥节点的设计方法提供了理论依据。     

有初应力的钢管混凝土桁式拱结构平面内受力性能试验研究

针对初应力对大跨度钢管混凝土桁式拱桥受力性能的影响问题,进行了有初应力的钢管混凝土桁式拱平面内受力性能试验研究,研究初应力对钢管混凝土桁拱平面内受力性能和破坏模式的影响。试验结果表明:在跨中单点集中力加载的工况下,有初应力钢管混凝土桁拱变形呈现出对称形态,变形大致成"M"形。其中,L/3至2L/3段部分向下变形较显著,跨中向下达到最大位移;左拱脚至L/3段部分和2L/3至右拱脚段部分发生向上变形。钢管混凝土桁拱的腹杆受到较大的力,拱顶处直腹杆最早开始屈曲;在达到极限荷载之前,桁式拱没有出现节点破坏,表现出较好的整体性;达到极限荷载时,桁式拱变形加快;继续加载,斜腹杆被拉裂,上弦管拼接焊缝拉裂,结构变形严重。与无初应力桁式拱相比,初应力的存在会使钢管混凝土桁拱提前进入弹塑性状态;极限承载能力下降,下降7.3%;变形能力下降,达到极限荷载时,最大竖向位移减小12.1%。初应力的存在不会改变桁式拱的破坏模式,但是加剧了破坏现象,有初应力的桁式拱破坏现象更为显著,破坏后继续加载,三分点处两个节间斜腹杆全部拉裂,主弦管拼接焊缝拉裂。     

考虑初应力的钢管混凝土格构柱受力性能有限元分析

在试验研究的基础上对有初应力的钢管混凝土格构柱受力性能进行了有限元分析.分析结果表明,有限元计算结果与试验结果吻合较好.应用有限元方法,以初应力度和长细比为参数,对有初应力的钢管混凝土格构柱进行了受力全过程分析.分析结果表明,钢管初应力降低了钢管混凝土格构柱构件的弹性阶段,使构件提前进入了弹塑性阶段,并使构件的峰值极限荷载推迟出现,且对应的变形也有所增加.此外初应力度和长细比较小时,初应力对钢管混凝土格构柱极限承载力的影响不大;但当初应力度和长细比较大时,初应力会使构件的极限承载力明显下降,下降幅度超过12％.     

空心钢管混凝土轴压短柱力学性能分析

为深入认识空心率对空心钢管混凝土轴压短柱工作性能的影响,对在轴压下空心钢管混凝土短柱的荷载-变形曲线、不同空心率的空心钢管混凝土短柱的混凝土纵向应力、钢管横向应力与纵向应力的变化采用有限元法进行分析。结果表明:随着空心率的减小,钢管的环向应力增大,核心混凝土的纵向应力增大。钢管对核心混凝土的套箍作用减弱,钢管屈服后纵向应力降低速率增大、环向应力增加速率加快。最后在极限平衡理论的基础上,建立在轴压状态下空心钢管混凝土轴压短柱承载力计算公式,与有限元计算结果相比较,该公式计算结果与之吻合度较好。与试验结果相比,公式与有限元的计算结果都更安全。     

PBL加劲型矩形钢管混凝土桁架拱桥设计

为避免或缓解拱肋钢管与混凝土界面的脱粘或脱空,对钢管混凝土拱桥中的拱肋和节点受力性能的不利影响,提出在钢管混凝土拱肋中设置PBL纵肋,形成一种新型的PBL加劲型钢管混凝土拱桥形式。结合青海省西宁市采用"PBL加劲型矩形钢管混凝土桁架拱桥"结构形式的某在建桥梁,首先从下层拱肋、桁架-拱组合体系两个层面对该桥进行受力分析;根据主桥结构的受力特点,采用有限元数值模拟方法,分别建立腹杆受力较大的节点的局部精细化有限元模型、典型拱肋节段模型,研究节点的局部受力情况、太阳辐射下拱肋钢管与混凝土的界面受力性能。研究表明:梁肋在靠近拱顶附近时的轴向压力最大,此后其轴力迅速变小;拱顶处的拱肋轴向压力最小,此后迅速增大,并在拱脚处达到最大;腹杆作为梁肋与拱肋之间的传力构件,将整个结构连接成整体,使整个桁架结构共同受力;靠近拱顶、且腹杆受力较大的节点受力较为复杂。设置PBL纵肋能明显减小节点的传力长度、缓解节点的应力集中和变形程度,从而改善节点的受力性能;能明显缓解太阳辐射作用下钢管与混凝土的脱粘和脱空,从而保证拱肋的运营安全;该桥不仅满足使用功能的要求,与环境协调、造型美观,且受力较为合理,整体应力水平不高,满足安全的要求。     

反复荷载作用下钢管混凝土轴压承载力退化模式研究

为探讨钢管混凝土构件受压屈服后再次受荷时的承载力变化规律,以含钢率、套箍系数、核心混凝土中钢纤维掺量与反复加载次数为参数,对12根钢管混凝土短柱进行了反复轴压试验。结果表明:钢管混凝土短柱受压屈服后,如管壁出现开裂,再次承受荷载时其承载力下降显著。如管壁不出现开裂,截面含钢率高、套箍系数大时,构件承载力衰减缓慢,承载力损失较小;含钢率低、套箍系数较小时,承载力则先出现较大衰减,达到最小值后有小幅回升,承载力损失较大; 5次反复加载,试件承载力均保持在初始承载力的60%以上。     

部分内填混凝土钢桁梁焊接整体节点力学性能分析

在部分内填混凝土钢桁梁焊接T形整体节点静力试验的基础上,采用有限元软件ABAQUS对试件节点在腹杆竖向荷载下的力学性能进行数值模拟,并通过试验结果验证有限元模型的正确性。在此基础上选取不同的混凝土内填方案进行参数分析,系统研究混凝土填充长度对钢桁梁整体节点弹性刚度、极限承载力以及破坏模态的影响规律。结果表明:仅在核芯区内填充混凝土对节点力学性能改善很不明显,还需将混凝土填充范围扩大至核芯区两侧的弦杆内,但当混凝土填充超过一定长度后,节点的刚度和承载力提高将非常有限,极限破坏模态也不再变化。     

钢管混凝土支架注浆孔补强技术数值模拟分析

钢管混凝土支架在井下注入混凝土时要留设注浆孔,为了弥补注浆孔周边钢管刚度,实施了加强板、插入注浆短管和封孔塞3项补强措施。采用ABAQUS有限元软件分析在弹性加载条件下钢管的应力分布特征,注浆孔导致孔口两侧的压应力集中系数最大,为8.45;采用3项补强措施后,钢管注浆孔附近的压应力集中程度明显降低。通过数值分析并优化出补强措施：加强板为500mm×300 mm×10 mm,注浆短管为直径133 mm×8 mm,封孔塞直径为116 mm×40 mm。优化的补强措施有效降低了应力集中程度和补强措施的用钢量。     

不同钢内衬加固钢筋混凝土管涵力学特性试验研究

为研究不同钢内衬加固钢筋混凝土管涵的加固效果及其力学特性,对不加固的钢筋混凝土管、10 mm厚平钢管内衬加固钢筋混凝土管、波纹钢管内衬加固钢筋混凝土管3个试件进行两点加载试验,测试P—Δ曲线及截面应变。试验结果表明:采用直接加固方式时,波纹钢管内衬加固钢筋混凝土管、平钢管内衬加固钢筋混凝土管的极限承载力分别比未加固圆管的极限承载力提高240%、22%;加固形成的钢筋混凝土—内填混凝土—内衬波纹钢管截面为部分组合截面;钢筋混凝土—内填混凝土—内衬平钢管截面接近非组合截面,其受力过程与未加固管截面受力过程相似。