圆钢管混凝土K型焊接管板节点受力性能试验

资料大小：980KB
资料类型：.PDF
资料等级：
发布时间：2021-09-05

资料介绍

圆钢管混凝土K型焊接管板节点受力性能试验
高春彦，杨卫平，李斌，史治宇
(1．内蒙古科技大学建筑与土木工程学院，内蒙古包头014010；
2．南京航空航天大学航空宇航学院，江苏南京 21O016)
摘要：为研究格构式钢管混凝土风力发电机塔架K型焊接管板节点的受力性能，进行了4个圆钢
管混凝土K型焊接管板节点的单调静力加载试验和1个空心圆钢管K 型焊接管板节点的对比试
验，探讨了该类节点的破坏模式、极限承载力以及节点区应力分布和发展规律，研究了各试验参数
对节点受力性能的影响。试验结果表明：塔柱内混凝土的填充使得焊接管板节点的破坏模式由节
点交汇处塔柱管壁塑性变形失效转变为节点板失效和腹杆失效；节点的极限承载力大幅增加，变形
减小；节点几何参数和构造参数的变化对试件受力性能的影响较大；当节点板中部设置加劲肋时，
节点的承载力提高，节点板平面外失稳得以避免；当节点极限承载力由腹杆屈曲或屈服承载力控制
时，在一定范围内随着腹杆与塔柱管径比和壁厚比的增加，节点的承载力提高。
关键词：圆钢管混凝土；焊接管板节点；静力加载试验；破坏模式；极限承载力；受力性能
中图分类号：TU392．3 文献标志码：A
Experim ent on M echanical Behavior for Concrete。filled Circular Steel
Tube K-。type W elded Tube。。gusset Joints
GAO Chun—yan ，YA NG W ei—ping ，LI Bin ，SHI Zhi—yu
(1．School of Architecture and Civil Engineering，Inner M ongolia University of Science and Technology，
Baotou 014010，Inner Mongolia，China；2．School of Aerospace Engineering，Nanjing University of
Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，Jiangsu，China)
Abstract：In order to study the mechanical behavior of K—type welded tube—gusset joints in latticed
concrete—filled steel tube (CFST) wind turbine tower，four CFST K—type welded tube—gusset
joints and a comparative hollow steel tube K—type welded tube—gusset joint were experimented
under monotonic loading．The failure mode，ultim ate bearing capacity and stress distribution laws
of joint zone were discussed． M eanwhile， the influence of experiment parameters on the
mechanical behavior of joints were studied．The experiment results show that filling concrete in
tower column makes the failure mode of welded tube—gusset joints change from the plastic
deformation failure of tower column at joint intersection area to the failure of gusset plate and
web member，the bearing capacity of joint increase significantly and the deformation reduce．The
geometric parameters and structural parameters of joints have great influence on the mechanical
behavior of specimens． W hen the stiffening rib is set at the center of gusset plate，the bearing
capacity of joint increases，the out—of-plane instability of gusset plate is effectively avoided．W hen
the ultimate bearing capacity of joints is decided by the buckle or yield bearing capacity of web
收稿日期：2014—06—11
基金项目：国家自然科学基金项目(11172131)；内蒙古自治区自然科学基金项目(2012MS0711)
作者简介：高春彦(1978一)，女，山西河津人，内蒙古科技大学副教授，南京航空航天大学工学博士研究生，E mail：gao一197844@163．corn。
学兔兔 www.xuetutu.com
52 建筑科学与工程学报 2O14血
mem ber，the bearing capacities increase with the increase of the diameter ratio and wall thickness
ratio between web and tower column．
Key words：concrete—filled circular steel tube；welded tube—gusset joint；static loading experi—
ment；failure mode；ultimate bearing capacity；mechanical behavior
0 引言
近年来，随着风力发电产业的发展，格构式钢管
混凝土塔架与传统的锥台形钢结构塔筒相比，由于
材料利用率高、构件尺寸小、便于运输等优势，具有
较大的发展潜力口 ]。在格构式钢管混凝土风力发
电机塔架结构中，塔柱采用圆钢管混凝土，腹杆采用
圆钢管，则塔柱与腹杆交接处即为K 型节点，其受
力相对复杂，是研究的重点。目前各国学者对K型
节点的研究主要集中在桁架、输电塔架和格构式柱
中的相贯节点、法兰连接节点、螺栓球以及空心球节
点上，已有的对K型管板节点的研究也主要集中于
K型插板螺栓连接节点上 _8l。文献1-9]中基于欧洲
进行的大量连接试验，给出了一套空心管结构焊接
节点的极限强度计算公式。文献[10]中对跨越输电
钢管塔K型插板螺栓连接节点的受力性能进行了
研究，分析了钢管一插板节点的几何参数、构造参数
等对节点受力性能的影响，并利用理论解析法对带
加劲板的节点极限承载力进行了分析。对于焊接管
板节点，由于焊接残余应力的影响，使得节点区的受
力更为复杂。文献[11]中给出了桁架节点板在斜腹
杆拉力和压力作用下的强度和稳定性计算公式，但
是研究成果是基于弦杆和腹杆均为双角钢的桁架管
板节点建立的，其是否适用于圆钢管之间的连接仍
值得探讨。
本文对格构式钢管混凝土风力发电机塔架中的
圆钢管混凝土K 型焊接管板节点进行单调静力加
载试验，并对1个空心圆钢管K型焊接管板节点进
行对比试验，探讨节点的破坏模式、极限承载力、节
点区应力分布和发展规律，研究几何参数、构造参数
对节点破坏模式和极限承载力的影响规律，以期为
该类节点的设计提供参考依据。
1 试验方案
1．1 试件设计
本文设计了4个圆钢管混凝土K型焊接管板
节点和1个空心圆钢管K型焊接管板节点，主要考
察参数包括塔柱径厚比y、腹杆与塔柱管径比、腹
杆与塔柱壁厚比r。根据实验室场地条件及试验仪
器的加载能力，节点模型按缩尺比为l；2．19制作，
试件模型如图1所示，试件参数见表1。所有试件
塔柱的长度均为1 628 mm，腹杆长度均为750 mm，
腹杆与节点板的连接方式为在其末端开槽与节点板
插接后焊接，焊缝长度由计算确定。腹杆和塔柱端
部均设置了加载端板，以便与千斤顶和支座连接；为
避免腹杆端部受压而发生局部屈曲，在腹杆端部每
隔9O。设置了加劲肋。除试件CS一1外，其他试件均
在节点板中部设置了加劲肋，加劲肋厚度与节点板
相同，以避免加载过程中出现偏心而引起节点板平
面外失稳。
(a) 腹板 (b) 塔柱
图1 试件模型
Fig．1 Specimen M odel
塔柱和腹杆均采用20 热轧无缝钢管，节点板
采用Q235级钢，按照《金属材料室温拉伸试验方
法》(GB／T 228- 2002)测得的钢材力学性能见表
2。塔柱内灌注C40混凝土，28 d及试验时的立方
体抗压强度标准值分别为45．71，48．44 MPa，弹性
模量为32．7 GPa。
1．2 试验加载装置及测量方案
本文试验采用单调静力加载，MTS试验加载装
置如图2所示。试验时节点采用卧位放置，塔柱两
端通过加载端板采用螺栓与承力支座连接，承力支
座通过8个地脚螺栓固定于实验室地槽上。腹杆端
部通过加载端板采用螺栓分别连接于拉、压千斤顶
上，千斤顶两端均设置有钢铰。
在本文试验中，拉、压千斤顶对腹杆分别施加同
步等比例的反对称荷载，对受压腹杆施加的压力是
拉力的1．25倍(对去掉横腹杆的格构式钢管混凝土
风力发电机塔架原型进行内力分析可知，受压与受
拉斜腹杆内力的比值在1．0～1．3之间)。采用腹杆
全截面屈服荷载P 作为预估的极限荷载，正式试