方钢管环口包角加强节点的静动力性能与理论模型研究

With the spread of weld steel tubular structures in recent years, the issue of local reinforcement to ensure the strength or rigidity of the joint is highlighted. However, the theory study or design provisions of reinforced steel square hollow section (SHS) joint are quite primary, lays hidden dangers for the engineering application of reinforced joint. Different to the traditional doubler-plate reinforcement, the collar angle plate (CAP) method reinforced the flange and the web of the chord simultaneously, providing the joint with good balance of tension-to-compression and strength-to-ductility capacity. On the basis of experimental test and finite element analysis, we check the influence of joint geometries and CAP configurations on the static performance of reinforced SHS joint. By determining the load transfer or mutual restraint mechanism between the CAP and the chord, the static bearing mechanism of CAP reinforced SHS joint will be revealed. Then, we use the yielding line and shell theory to establish the bearing capacity model for CAP reinforced SHS joints. Finally, we analyze the contact and open process between the CAP and the chord under cyclic loading, to reveal the interaction energy dissipation mechanism of CAP and chord, and establish the hysteretic curve model for CAP reinforced SHS joint. The study of this project aims to establish the static and seismic theory model, and propose design method for CAP reinforced SHS joint, which provides a theoretical basis for the joint reinforcement of new-built or reformed SHS structures.

随着近年来钢管结构的大量应用，焊接节点因强度或刚度不足而需局部加强的问题凸显，但当前关于方钢管加强节点的理论研究和规范条文尚不完善，给加强节点的工程应用埋下隐患。与垫板加强相比，新型环口包角节点能同时加强主管的翼缘和腹板，具有拉压均衡、强度与延性俱佳、施工方便等优点。基于试验和数值计算，明确节点几何参数及环口包角板构造参数对加强节点静力性能的影响规律，探求环口包角板与主管间的荷载传递及相互约束机制，揭示环口包角加强节点的静力承载机理；基于塑性铰线和板壳理论分析，建立考虑板-管共同作用的节点承载力理论模型；通过往复荷载下环口包角板与主管间的接触-分离全过程分析，揭示环口包角板与主管的协同耗能机制，建立考虑损伤和共同作用的节点恢复力曲线模型。通过本项目的研究，可望建立方钢管环口包角加强节点的静动力理论模型，提出环口包角加强方钢管节点的设计方法，为新建或已有方钢管节点的加强提供理论依据。

钢管结构中，因焊接节点强度或刚度不足而需局部加强的问题普遍存在，但当前对钢管加强节点的理论研究和规范条文尚不完善，加强节点的工程应用缺乏指导依据。本研究提出了一种新型环口包角加强钢管节点，可同时加强主管的翼缘和腹板，具有拉压均衡、强度与延性俱佳、施工方便等优点。采用试验、数值计算和理论分析等方法，对环口包角、覆板及插板加强节点的静动力承载机理、破坏形态、耗能机制、理论模型等方面进行研究。首先，对方钢管加强节点的静力承载机理及与破坏形态进行研究，实测了加强节点在轴力、弯矩作用下的受力性能和破坏模式，并结合精细的有限元参数分析明确了节点几何参数及加强板构造参数对节点静力承载性能的影响规律，得到了影响加强节点静动力性能的关键参数，揭示了环口包角、覆板及插板加强方钢管节点的静力承载机理。其次，通过试验研究了加强节点受轴向往复、平面内弯曲往复作用下的全过程滞回性能，并探讨了影响节点抗震性能的关键参数，揭示了加强板与主管协同耗能的机制。最后，基于塑性铰线理论和板壳理论，建立了考虑加强板与主管共同作用的加强节点承载力理论模型和刚度模型，提出了方钢管加强节点的设计方法。研究结果表明，不同的加强板构造对节点的加强机理差异较大，环口包角和插板加强节点的承载力与延性均较好，覆板加强节点的承载力高但延性较差；影响加强节点受力性能的关键参数是支管主管宽度比和加强板厚度；考虑加强板屈服及其与主管相互作用的力学模型，可准确计算加强节点的承载力。本研究解决了加强板与主管间的荷载传递、刚度匹配、相互作用等关键问题，研究方法及成果具有较好的科学意义，提出的力学模型为新建或已有方钢管结构的节点加强提供了理论基础和依据。