鋼管搭接節(jié)點(diǎn)破壞過(guò)程分析

陳 鵬，邢凱峰，黃 劍

（黃山學(xué)院 建筑工程學(xué)院，安徽 黃山 245041）

大跨度空間結(jié)構(gòu)越來(lái)越廣泛的應(yīng)用主要原因在于其節(jié)點(diǎn)的優(yōu)越性能，因此,大跨空間鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)成為研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)?？臻g節(jié)點(diǎn)能夠三維受力和傳力，在平面K型圓鋼管搭接節(jié)點(diǎn)靜力強(qiáng)度方面的討論已經(jīng)開(kāi)展的比較深入[1-7],其次有關(guān)高周疲勞下節(jié)點(diǎn)的破壞機(jī)理探討也取得不少成果，目前開(kāi)展較少的主要是小周期往復(fù)荷載作用下節(jié)點(diǎn)彈塑性變形過(guò)程的研究。研究工作的滯后對(duì)工程設(shè)計(jì)和施工的安全性、經(jīng)濟(jì)性已造成不利影響。

空間搭接節(jié)點(diǎn)比較顯著的特點(diǎn)在于桿件材料的幾何特征、焊縫形式、腹桿受力形式共同決定了節(jié)點(diǎn)的受力性能。合理的搭接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)是尋求3根桿件和節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的最佳結(jié)合點(diǎn)，為此對(duì)圓鋼管K型搭接節(jié)點(diǎn)在弦桿軸向荷載作用下破壞過(guò)程的研究,主要通過(guò)有限元分析，得到K型搭接節(jié)點(diǎn)內(nèi)隱蔽焊縫在焊與不焊兩種情況下的滯回特性，量化評(píng)價(jià)其變形能力和耗能能力，揭示K型搭接節(jié)點(diǎn)，內(nèi)隱蔽焊縫的延性及節(jié)點(diǎn)破壞機(jī)理。最后對(duì)帶有K型搭接節(jié)點(diǎn)的管結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)分析，得到結(jié)構(gòu)的受力性能、破壞模式及節(jié)點(diǎn)極限承載力。本文通過(guò)一系列非線性計(jì)算和比較分析,得到一些有實(shí)用價(jià)值的結(jié)論。

1 試件設(shè)計(jì)

表1 K型搭接節(jié)點(diǎn)的幾何參數(shù)

節(jié)點(diǎn)試件鋼材選用Q235鋼，試件尺寸主管?159×6,支管 ?76×4 與 ?89×5,根據(jù)主支管尺寸不同以及焊縫形式的改變?cè)O(shè)計(jì)2組共4個(gè)試件，其中焊縫形式的模擬通過(guò)有限元單元的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)。表1詳細(xì)列出了各個(gè)試件的幾個(gè)參數(shù)，表中的YH和YN分別用來(lái)表示隱藏焊縫焊接與不焊接。其中節(jié)點(diǎn)偏心距用e表示，hf為角焊縫的焊腳尺寸，弦腹桿直徑用表中D和t表示，T和t為弦腹桿的厚度，i和j用來(lái)表示搭接順序，表中β、γ、τ分別表示管件之間的幾何尺寸（直徑、厚度、徑厚）比值，θ用來(lái)表示桿件之間相交的角度，腹桿之間搭接面積的比值通過(guò)搭接率Ov%來(lái)表示。搭接節(jié)點(diǎn)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 K型搭接節(jié)點(diǎn)基本構(gòu)造

2 分析模型的建立

2.1 單元類型

有限元分析中結(jié)果的準(zhǔn)確度與精確程度主要取決于材料單元的選取。在搭接節(jié)點(diǎn)的有限元分析中，計(jì)算精度高的是SOLID單元，但是耗時(shí)，因此較為實(shí)際的模型單元一般選用彈塑性殼單元。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果的比較在本次研究中找出的3維4節(jié)點(diǎn)彈塑性殼單元SHELL181單元與實(shí)際情況吻合度高、計(jì)算時(shí)間短、效率高的。為簡(jiǎn)化計(jì)算焊縫的實(shí)際模擬同樣采用殼單元，按以上選取的單元，對(duì)K型節(jié)點(diǎn)試件建立模型，模型的區(qū)別在于搭接方式的不同，隱藏焊縫的焊接不同以及桿件尺寸的不同。節(jié)點(diǎn)模型見(jiàn)圖2，焊縫的建模如圖3所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)模型

圖3 焊縫的數(shù)值模擬

2.2 材料屬性

節(jié)點(diǎn)分析選擇Q235的鋼材，屈服強(qiáng)度為235MPa，u取值為 0.3，彈性模量取 206GPa，雙線性強(qiáng)化模型為鋼材本構(gòu)關(guān)系，服從Von Mises屈服準(zhǔn)則。為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，忽略節(jié)點(diǎn)殘余應(yīng)力的影響。

2.3 約束方式及加載方式

小周期往復(fù)荷載作用下節(jié)點(diǎn)滯回性能的研究對(duì)于邊界條件以及加載方式的選取同樣至關(guān)重要。為了與實(shí)際工程吻合更加貼切的同時(shí)又能全面考察鋼管相貫節(jié)點(diǎn)彈塑性全過(guò)程，在加載方式上參考了國(guó)內(nèi)外有關(guān)資料結(jié)合鋼模板試驗(yàn)的加載特點(diǎn)及有限元程序的功能，建立如圖4所示的邊界條件。選擇2支管鉸接的約束形式，節(jié)點(diǎn)只能在平面內(nèi)繞鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。關(guān)于節(jié)點(diǎn)低周期荷載的加載路徑的實(shí)現(xiàn)，分析中按時(shí)間逐級(jí)增加加載，加載機(jī)制采用變幅加載，即在弦桿上每加載和卸載一次作為一個(gè)循環(huán)，再反向加卸載循環(huán)，每步荷載增量為25KN。加載路徑如圖5所示，空載→逐漸增加至控制荷載→等待15min→卸載結(jié)束→等待15min→反向加載至荷載值，依次往復(fù)循環(huán)。

圖4 K型節(jié)點(diǎn)邊界條件和約束加載方式

圖5 加載路徑圖

3 有限元模擬破壞模式

節(jié)點(diǎn)開(kāi)始加載到最后破壞，一般經(jīng)歷3個(gè)階段：近似線彈性階段；彈塑性階段；近似完全塑性階段。

YH-K01屈服時(shí)節(jié)點(diǎn)處焊縫首先發(fā)現(xiàn)變形，比較明顯的變形區(qū)域存在于搭接支管焊縫處，荷載增加塑性區(qū)域隨著逐漸增加，變形增長(zhǎng)速度最快的同樣是搭接支管部分，破壞時(shí)的狀態(tài)為集合點(diǎn)處的焊縫破壞嚴(yán)重，搭接支管與主管焊接部分及其附近區(qū)域嚴(yán)重?fù)p壞。

YN-K01三桿的匯交點(diǎn)處最先出現(xiàn)屈服，焊縫區(qū)最后全部擴(kuò)展為屈服區(qū)域，直到整個(gè)焊縫區(qū)破壞，兩支管都發(fā)生較大的塑性變形，主管也有相應(yīng)的變形。

YH-K02的屈服點(diǎn)首先發(fā)現(xiàn)在搭接支主管處的焊縫，屈服面積在進(jìn)一步荷載下逐漸擴(kuò)展，2支管焊縫區(qū)的變形發(fā)展尤為明顯，最后破壞在焊縫區(qū)，大變形同樣存在于主弦管的主體部分。

YN-K02也是節(jié)點(diǎn)結(jié)合處首先出現(xiàn)屈服，整個(gè)焊縫區(qū)最終發(fā)展為屈服區(qū)域，焊縫的完全破壞為節(jié)點(diǎn)的最終破壞形式，破壞時(shí)在搭接管的尾部變形很明顯并且出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。同樣的大變形也出現(xiàn)在支管主體部分，在焊縫區(qū)逐漸破壞時(shí)支管主體部分也慢慢逐漸損壞。

4 結(jié) 論

通過(guò)分析可知，平面K型搭接結(jié)點(diǎn)破壞主要存在主支管連接焊縫處或者弦桿管壁發(fā)生局部屈曲破壞，不同的焊縫形式下節(jié)點(diǎn)的塑性發(fā)展區(qū)域有明顯的區(qū)別，同時(shí)支管的壁厚以及搭接率也有一定影響。但是在4種不同條件下的模型應(yīng)力最大的位置都存在于節(jié)點(diǎn)處與實(shí)際情況一致。

K型搭接相貫節(jié)點(diǎn)在內(nèi)隱藏焊縫焊與不焊時(shí)屈服和破壞都是從焊縫的根部開(kāi)始的，因此說(shuō)明節(jié)點(diǎn)焊縫對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性。K-YH屈服點(diǎn)開(kāi)始出現(xiàn)在支管的搭接處，隨著荷載進(jìn)一步的發(fā)展，支管的屈服面積逐漸變形發(fā)展至整個(gè)節(jié)點(diǎn)破壞，屈服過(guò)后，搭接支管變形明顯大于被搭接支管。最后的失效模式是搭接支管大面積變形導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)破壞。

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