高强度钢管相贯节点焊缝受力机理与设计方法研究结题摘要

高强度钢材能减轻结构自重、节约钢材，具有良好的社会经济效益。我国03版《钢结构设计规范》中规定钢管相贯节点条文只适用于屈服强度不超过345MPa的材料，而2017年颁布的新版规范借鉴欧洲规范，取消了该限制，但特别指出对高强度钢管相贯节点的受力性能尚缺乏研究。事实上，高强度钢材由于其强度提高，塑性降低，屈强比增大，韧性变差而脆性断裂倾向增大，对焊缝缺陷更为敏感。因此，本项目采用理论分析、试验研究和数值模拟相结合的方法，从高强度钢管相贯节点的材料、焊缝和构造细节、节点等三个层面开展逐步深入的研究。积累高强度钢管的材料及其焊缝力学性能试验数据，建立预测高强度钢管相贯节点破坏的两类模型，并进行典型节点的验证性试验，进而进行参数分析，得到了节点材性、连接焊缝、局部构造、几何参数等对节点性能的影响规律，提出了适用于高强度钢材、能准确考虑焊缝承载力的钢管相贯节点设计方法，为完善这类节点的设计理论提供了可靠依据。

高强度钢材能减轻结构自重、节约钢材，具有良好的社会经济效益。我国03版《钢结构设计规范》中规定钢管相贯节点条文只适用于屈服强度不超过345MPa的材料，而即将颁布的新版规范借鉴欧洲规范，取消了该限制，但特别指出对高强度钢管相贯节点的受力性能尚缺乏研究。事实上，高强度钢材由于其强度提高，塑性降低，屈强比增大，韧性变差而脆性断裂倾向增大，对焊缝缺陷更为敏感。因此，本项目将采用理论分析、试验研究和数值模拟相结合的方法，从高强度钢管相贯节点的材料、焊缝和构造细节、节点等三个层面开展逐步深入的研究。积累高强度钢管的材料及其焊缝力学性能试验数据，建立预测高强度钢管相贯节点破坏的两类模型，并进行典型节点的验证性试验，进而进行参数分析，得到节点材性、连接焊缝、局部构造、几何参数等对节点性能的影响规律，提出适用于高强度钢材、能准确考虑焊缝承载力的钢管相贯节点设计方法，为完善这类节点的设计理论提供提可靠依据。

直接焊接钢管结构以其优越的受力性能在大型复杂空间结构中得到了广泛应用，但因直接相贯节点处交汇钢管的数量、角度、截面形状与尺寸的不同，导致相贯线处连接焊缝的受力非常复杂，加上焊接缺陷的影响，极易造成突发性的、危害大的脆性断裂，严重影响结构的安全性和耐久性。目前国内外对钢管相贯节点连接焊缝的研究还未形成理论体系，研究仅限于焊接工艺等局部领域，对其脆性断裂的力学机理和工程设计方法几无涉及。本项目将对钢管相贯节点连接焊缝的受力机理与断裂行为进行试验研究和理论分析。重点研究复杂受力状态下连接焊缝的应力分布规律、极值应力点位置的确定，应力集中系数，裂纹尺寸，断裂韧性，焊缝缺陷时应力强度因子增加规律，几何参数变化热点应力的变化规律，支管弦管上的应力集中系数沿轴向的分布规律。提出其连接焊缝脆性断裂的计算模型，进而提出防止其断裂的设计方法和技术措施，为完善这类节点的设计理论提供可靠依据。

直接焊接钢管结构以其优越的受力性能在大型复杂空间结构中得到了广泛应用，但因直接相贯节点处交汇钢管的数量、角度、截面形状与尺寸的不同，导致相贯线处连接焊缝的受力非常复杂，加上焊接缺陷的影响，极易造成突发性的、危害大的脆性断裂，严重影响结构的安全性和耐久性。目前国内外对钢管相贯节点连接焊缝的研究还未形成理论体系，研究仅限于焊接工艺等局部领域，对其脆性断裂的力学机理和工程设计方法几无涉及。本项目对不同类型的钢管相贯节点连接焊缝的受力机理与断裂行为进行试验研究和理论分析，主要从三种类型节点着手：X形钢管连接节点、钢管折线形节点及N形方圆钢管相贯节点。重点研究了复杂受力状态下连接焊缝的应力分布规律、极值应力点位置的确定，应力集中系数，裂纹尺寸，断裂韧性，焊缝缺陷时应力强度因子增加规律，几何参数变化热点应力的变化规律，支管弦管上的应力沿轴向的分布规律。得出了节点域附近在荷载作用的变形情况，分析了其刚度特征。提出了考虑焊缝影响的承载力计算公式以及连接焊缝脆性断裂的计算模型，进而提出了防止其断裂的设计方法和技术措施，为完善这类节点的设计理论提供了可靠依据。 2100433B