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闭口截面的方钢管具有优良的结构性能,目前已广泛应用于管件直接焊接的管桁架结构。钻石鸟嘴式方管节点是一种新型的方管焊接节点,是将传统方管节点的支管和主管均绕其中心轴旋转45°而形成的。初步的静力试验表明,钻石鸟嘴式方管节点比传统的方管节点具有更高的节点承载力,工程应用前景看好,但是有关该节点的疲劳性能,目前还缺乏了解和研究。本文针对钻石鸟嘴式方管T型焊接节点疲劳强度评估的需要研究其热点应力特性,这一研究内容是CIDECT(国际管结构发展与研究协会的法文缩写)关于鸟嘴式方管节点疲劳性能研究计划的一部分。
本文首先简单介绍了焊接钢结构和焊接管节点疲劳的基本概念,重点介绍了钢管焊接节点疲劳性能评估的两种常用方法:基于名义应力的构造分类法和基于热点应力的热点应力法,并比较了这两种方法各自的优缺点。由于热点应力法精度高,且对不同类型的节点可以采用相同的S—N曲线,因此热点应力法已成为钢管焊接节点疲劳强度计算的趋势。因此本文采用这一方法研究钻石鸟嘴式方管节点的疲劳性能。
为研究钻石鸟嘴式方管节点热点应力的分布和影响参数,本文从最基本的T型节点入手,对7个不同无量纲几何参数的钻石鸟嘴式方管T型节点进行了热点应力试验研究。试验测试了节点在承受支管轴向拉力和支管平面内弯矩下的热点应变集中系数SNCF,并利用试验数据探讨了节点的热点应力外推方法、热点应力最大值可能出现的位置和无量纲几何参数对热点应变集中系数SNCF的影响等问题。
为了进一步研究钻石鸟嘴式方管节点的热点应力,本文利用有限元的方法对节点的热点应力进行了计算。对试验节点SNCF的有限元计算表明,有限元的计算结果和试验实测结果吻合良好,有限元可以用来大量计算节点的热点应力。随后,本文对125个不同无量纲几何参数节点的热点应力集中系数SCF进行了计算,并通过处理将支管荷载和主管荷载分别引起的SCF分开,得到了支管轴力、支管平面内弯矩和主管轴力各自在节点上引起的SCF。
通过对试验和有限元计算结果的分析,本文确定了节点SCF最大值可能出现的几个位置,分析了热点应力集中系数SCF和热点应变集中系数SNCF之间的关系,最后针对无量纲几何参数对节点SCF的影响效应进行了细致的分析。