多棱钢管塔穿心横担连接节点静力性能研究

摘要

钢管结构由于其独特的优越性能被广泛用于建筑、电力、交通、石油等行业。在钢管结构中，研究的重点是节点。自上世纪中叶以来，国内外对于钢管节点进行了大量的研究，研究主要集中于圆形和方形截面的钢管相贯节点，基本掌握了简单荷载条件下常规相贯节点的性能。当前，国内外的研究主要针对于特殊平面节点和空间相贯节点的静力、疲劳和滞回性能以及复杂荷载下相贯节点的性能。
　　 多棱钢管截面呈正多边形，作为结构构件，兼具圆形和方形截面构件的优点。多棱钢管穿心连接节点是由不截断通长横担支管穿过塔身主管，并焊接穿心横担支管与塔身主管的相贯线得到的十字形节点，此类节点具有较高的抗弯刚度和强度，能承受较大的外部荷载，不需要另外设置加劲构件，相贯线呈折线形，构造比较简单，施工也很方便。目前，国内外对其研究相对较少，对其性能不甚了解，尚没有成熟的可参考的设计规定，这在一定程度上限制了其应用，需要对此类节点进行较全面的研究。
　　 以试验为基础，结合非线性有限元分析和数值分析手段，探讨了多棱钢管穿心连接节点的受力性能、破坏模式、极限承载力以及主要参数对节点静力性能的影响，提出了此类节点的承载力计算公式。
　　 首先，实施了在3种工况下(正常运行情况、断线情况一和断线情况二)共4个穿心横担连接节点足尺模型的静载试验。随后，基于试验对穿心横担连接节点进行了非线性有限元分析，并修正了有限元模型为后续的参数分析打下基础。而后，基于修正的有限元模型，对90个多棱穿心横担连接节点进行了非线性有限元参数分析，得到此类节点受力过程、节点破坏模式、塑性分布规律。考察了三个无量纲参数(横担主管壁厚比t、主管横担管径比λ和主管径厚比γ)对节点极限承载力的影响规律。最后提出了各工况下多棱钢管穿心连接节点的承载力计算建议公式。
　　 试验和分析的主要结果表明：①正常运行情况下，节点处于面内受弯状态，主管对横担支管的嵌固作用很强，可近似作为固结考虑；其破坏模式为节点域的横担支管底部出现鼓曲破坏，而塔身主管处于弹性阶段；壁厚比和管径比对节点承载力影响较大，径厚比对节点承载力几乎没有影响。②断线情况一下，节点处于受扭状态，主管对横担支管的嵌固作用较弱，为典型的半刚性连接；其破坏模式为主管截面发生较大的变形伴随着主管管壁的局部屈曲破坏；壁厚比、管径比和径厚比均对节点承载力有影响，但影响程度不一，节点性能主要取决于主管。③断线情况二下，节点处于面外受弯状态，节点刚度较大，其破坏模式与断线情况一类似，壁厚比和管径比对节点承载力影响较大，径厚比对节点承载力几乎没有影响。