钢管混凝土管节点疲劳试验研究.pdf
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1、第 43 卷 第 5 期 2013 年 3 月上 建筑结构 Building Structure Vol 43 No 5 Mar 2013 钢管混凝土管节点疲劳试验研究 刁砚 1, 范文理2 ( 1 西华大学建筑与土木工程学院,成都 610039;2 西南交通大学桥梁系,成都 610031) 摘要为深入研究钢管混凝土管节点的应力集中及疲劳性能, 设计了钢管混凝土管节点的疲劳试验, 并结合有 限元的计算, 对管节点的应力集中、 疲劳裂纹的开裂源、 裂纹扩展规律等疲劳相关特性进行了研究, 对于变幅加载 情况下的寿命进行了等效计算, 并通过试验进行验证, 在焊接接头良好的情况下, 疲劳强度可达到较高
2、的水平。 关键词管节点;疲劳试验;有限元;疲劳寿命 中图分类号: TU392. 3, U448. 38文献标识码: A文章编号: 1002- 848X( 2013) 05- 0045- 03 Experimental research on fatigue of tubular joints in concrete- filled steel tube Diao Yan1,Fan Wenli2 ( 1 School of Architecture and Civil Engineering,Xihua University,Chengdu 610039,China; 2 Department
3、of Bridge Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China) Abstract: For the further research on the stress concentration and fatigue property of tubular joints in concrete-filled steel tube,and the fatigue test was carried out,and the finite element was used to study the stress conce
4、ntration,cracking source of fatigue,the rule of crack expansion and related features of fatigue The life of changed load was calculated The result verifies that the fatigue strength can achieve higher levels of performance if the welded joints are in a good condition Keywords: tubular joint;fatigue
5、test;finite element;fatigue life 作者简介: 刁砚, 博士, 讲师, Email: dyy124 126 com。 0引言 近年来, 随着理论研究的日益深入和新施工工 艺的产生, 钢管混凝土在结构性能和施工工艺上体 现出来的众多优点, 使其广泛应用于建筑结构中。 对钢管混凝土结构而言, 节点是关键的承载部位, 也 往往是整个结构的薄弱环节 1- 3, 但对其疲劳设计 寿命的研究还相对滞后。 为深入研究钢管混凝土管节点的应力集中及疲 劳性能, 本文设计了钢管混凝土管节点模型并开展 了相应的疲劳试验。 图 1钢管混凝土管节点疲劳性能试验模型 1试验及模型的设计 试验
6、模型设计了 3 个相同的三角形典型平面管 桁架, 上部为 Y 形节点, 主管尺寸为 406 10; 支管 尺寸均为 203 8, 其中斜支管净长度为 2 496mm; 耳管采用钢管尺寸为 351 14 的钢管混凝土加 载, 见图 1。钢材采用 Q345 钢, 主管与支管相贯线 图 2钢管混凝土管节点疲劳试验 上半周通过全熔透坡口对接焊, 焊接细节符合建 筑钢结构焊接技术规程 ( JGJ 812002) 规定。 管节点模型的几何参数和符号采用欧洲共同体 于 1981 年在巴黎召开的“国际海上用钢会议” 中的 有关规定, 见表 1。 试验模型管节点几何参数表 1 几何参数 = d/D = D /2
7、T = t/T = l/d 参数值0. 520. 30. 8011. 1445 注: D 为主管外径; T 为主管壁厚; d 为支管外径; t 为支管壁厚; l 为支管理论长度; 为支管轴线与主管轴线间的夹角。 管节点模型试验加载见图 2, 在耳管上对称加 载, 并在加载时进行相贯线焊趾附近的静应力分布 测试。 建筑结构2013 年 2静力测试及应力集中系数研究 2. 1 管节点相贯线应变实测 将主管相贯线按象限划分, 如图 3 所示, 左鞍点 至右鞍点为 0 180, 冠点焊趾正好位于 90。从 实测结果( 图 4) 可知, 当按 100, 200, 300, 400kN 的 荷载等级进行加
8、载时, 相贯线处最大应变位于冠点 附近。 图 3主支管相贯线象限划分 图 4相贯线上实测应变值 2. 2 应力集中系数 文献 4推荐热点应力为“沿着焊缝处的极值 应力” , 其“考虑了管节点的几何参数的影响” , 也就 是最大主应力值。文献 5提出了热点应力的另一 种定义, 这种定义采用了国际焊接协会( IIW) 6疲 劳设计原则, 在这种定义中, 热点应力表述为“垂直 于焊缝的结构应力的外推插值结果” 。本文采用第 二种定义。管节点的应力集中系数定义为: SCF = G N ( 1) 式中: N为斜管名义轴向应力; G为斜管与主管相 贯线热点应力。 通过实测斜管名义轴向应力与试件相贯线上的
9、热点应力, 可得到 Y 形节点应力集中系数为: 由表 2 可知本次实测钢管混凝土节点应力集中 系数值在 2. 91 3. 46 之间。 Y 形节点应力集中系数 表 2 加载等级 /kN1 号试件2 号试件 3 号试件 1002. 922. 943. 00 2003. 043. 053. 45 3003. 143. 283. 46 4003. 203. 032. 91 3疲劳试验研究 3. 1 疲劳寿命判断标准 决定管节点的疲劳寿命, 主要依照试验中疲劳 循环加载次数 N1, N2, N3的含义来表示。N1为可见 裂纹的荷载循环数。本试验取表面可见裂纹长度为 10mm 时的周期数为 N1的值。N
10、2为裂纹穿透壁厚时 的荷载循环数。在钢管混凝土节点中, 因混凝土的 约束作用制止了裂纹扩展, 并且结构刚度变化很小, 故不会立即破坏。因此 N2可作为疲劳寿命基本参 数, 本 试 验 中, N2时 的 疲 劳 寿 命 裂 纹 长 度 约 为 30mm。N3时终止试验, 由于记录标准不一, 参照国 外标准可取裂纹长度为 150 200mm 时的荷载循环 数为 N3的值。 实际上, 当裂纹贯穿以后, 疲劳寿命已 较短了, 所以通常认为 N2为试件的设计疲劳寿命。 图 5疲劳试验加载等级 3. 2 疲劳加载制度 本试验加载共有 3 个应力等级, 应力幅 si 和循环 次 数 ni的 关 系 如图 5
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