主管管壁加厚的T型圓鋼管節(jié)點(diǎn)抗火性能有限元研究

張紅燕,邵永波,何樹(shù)賓,楊 杰

(煙臺(tái)大學(xué)土木工程學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264005)

鋼管結(jié)構(gòu)因其良好的力學(xué)性能在現(xiàn)代建筑中得到了廣泛的應(yīng)用．尤其在海洋工程中,鋼管結(jié)構(gòu)更是以絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)得到建筑師的青睞．由于薄壁結(jié)構(gòu)的特性,當(dāng)主管承受來(lái)自支管軸向荷載作用時(shí),主管在靠近節(jié)點(diǎn)的部位由于要承受徑向荷載而容易發(fā)生破壞．為了提高主管的徑向剛度,通常采取某種措施對(duì)主管進(jìn)行加固,從而提高管節(jié)點(diǎn)的承載力．本文采取的加固方法是對(duì)主管管壁局部加厚[1],即增大主管與支管相貫處主管的管壁厚度,從而局部增大相貫處主管的徑向剛度,達(dá)到提高管節(jié)點(diǎn)承載力的目的．邵永波等[2-5]對(duì)于常溫下主管管壁加厚型T型鋼管節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能分別進(jìn)行了試驗(yàn)研究與有限元分析,結(jié)果表明該加固方法能有效加強(qiáng)管節(jié)點(diǎn)的靜力承載能力及滯回性能．

日益增多的火災(zāi)給鋼結(jié)構(gòu)建筑帶來(lái)了嚴(yán)重的威脅．眾所周知,鋼材的各項(xiàng)性能在高溫下會(huì)急劇下降,甚至導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)失效．對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在火災(zāi)下的性能,國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要集中在對(duì)房建結(jié)構(gòu)中鋼結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件的研究,而對(duì)于鋼管及節(jié)點(diǎn)在火災(zāi)下的研究則相對(duì)較少．趙金城等[6-8]通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試和有限元模擬的方法研究了一系列T型圓鋼管節(jié)點(diǎn)及加勁環(huán)加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)在恒高溫作用下及火災(zāi)作用后節(jié)點(diǎn)的破壞過(guò)程及承載能力,并通過(guò)參數(shù)分析得到了管節(jié)點(diǎn)幾何參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)承載能力的影響．Nguyen等[9-10]通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試和有限元模擬的方法研究了T型焊接圓鋼管節(jié)點(diǎn)在恒高溫下的破壞模式和極限承載力,分析了主管邊界條件、主管軸力及管節(jié)點(diǎn)幾何參數(shù)等對(duì)節(jié)點(diǎn)抗火性能的影響．

目前,對(duì)主管管壁加厚型鋼管節(jié)點(diǎn)的抗火性能的研究還未見(jiàn)報(bào)道,本文結(jié)合已有的研究結(jié)果,利用有限元軟件ABAQUS對(duì)未加固及主管管壁加厚型T型圓鋼管節(jié)點(diǎn)在高溫恒載作用下的抗火性能進(jìn)行了對(duì)比分析．

1 管節(jié)點(diǎn)熱傳導(dǎo)的基本理論

1.1 管節(jié)點(diǎn)幾何模型

圖1和圖2分別表示了未加固T型圓鋼管節(jié)點(diǎn)和主管管壁加厚的T型圓鋼管節(jié)點(diǎn)的幾何形狀．其中Tc表示管壁加厚處的管壁厚度,Lc表示管壁加厚段的長(zhǎng)度．圖中同時(shí)給出了用來(lái)表征管節(jié)點(diǎn)幾何形狀的幾個(gè)常用無(wú)量綱參數(shù),其中α表示主管長(zhǎng)度和半徑的比值,β表示支管與主管的半徑比,γ表示主管半徑與壁厚的比值．

圖1 未加固T型圓鋼管節(jié)點(diǎn)

圖2 加固T型圓鋼管節(jié)點(diǎn)

本文主要研究壁厚對(duì)管節(jié)點(diǎn)性能的影響,因此只將Tc作為變量,其余參數(shù)保持不變．具體取值如表1所示．其中T1為未加固T型圓鋼管節(jié)點(diǎn),RT2和RT3為加固T型圓鋼管節(jié)點(diǎn)．

表1 T型圓鋼管節(jié)點(diǎn)幾何尺寸

1.2 管節(jié)點(diǎn)熱傳導(dǎo)基本理論及假定

在抗火分析中,熱分析是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)．能否準(zhǔn)確模擬真實(shí)火災(zāi)時(shí)環(huán)境溫度的增長(zhǎng)至關(guān)重要．目前,國(guó)際上通用的火災(zāi)下標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線(xiàn)是ISO834,其表達(dá)式如下

T=T0+345lg(8t+1),

(1)

式中:T為升溫過(guò)程中環(huán)境溫度;T0為升溫前的環(huán)境溫度,T0=20℃;t為升溫時(shí)間．

圖3 ISO834升溫曲線(xiàn)

火災(zāi)時(shí),管節(jié)點(diǎn)處于火焰氣流包圍之中,熱量的傳遞分為2個(gè)環(huán)節(jié)．

(1)周?chē)h(huán)境通過(guò)對(duì)流與輻射將熱量傳遞給節(jié)點(diǎn)表面.

(2)節(jié)點(diǎn)受火面通過(guò)傳導(dǎo)將熱量傳遞給節(jié)點(diǎn)內(nèi)部．

由能量守恒定律,鋼管表面任意一點(diǎn)的溫度可由式(2)得到

(2)

式中:k是導(dǎo)熱系數(shù);Ti是管節(jié)點(diǎn)內(nèi)表面的溫度;Ts是管節(jié)點(diǎn)外表面的溫度;T∞是周?chē)諝獾臏囟?Tsur是輻射體的溫度;h是對(duì)流系數(shù);φ是形狀影響系數(shù);ε是發(fā)射率;σ是斯蒂芬-波爾茲曼定律;l是鋼管的壁厚．

在對(duì)焊接鋼管節(jié)點(diǎn)的抗火性能進(jìn)行分析時(shí),對(duì)模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化:不考慮蠕變的影響;升溫過(guò)程中假設(shè)管節(jié)點(diǎn)均勻受熱;忽略高溫對(duì)鋼材相變的影響;對(duì)流、輻射系數(shù)為常數(shù)．

由于鋼材的材料性質(zhì)對(duì)溫度十分敏感,能否正確的預(yù)測(cè)管節(jié)點(diǎn)在火災(zāi)時(shí)的破壞,材料屬性的選擇至關(guān)重要．本文的材料模型采用了Eurocode 3中的雙線(xiàn)性模型．選用的鋼材為Q235,彈性模量E為206 GPa,圖4是高溫下的材料模型．泊松比μ在升溫過(guò)程中保持0.3不變．

2 管節(jié)點(diǎn)抗火分析的有限元模型驗(yàn)證及建立

本文采用ABAQUS軟件對(duì)管節(jié)點(diǎn)的抗火性能進(jìn)行有限元模擬和分析,該軟件分析火災(zāi)的方法有2種:直接熱力耦合和間接熱力耦合．由于直接熱力耦合方法較復(fù)雜,本文采用間接熱力耦合方法．即先進(jìn)行熱分析得到鋼管表面的溫度數(shù)據(jù)之后,再導(dǎo)入計(jì)算力分析的模型中．

圖4 高溫下鋼材應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

2.1 有限元模型驗(yàn)證

為了保證有限元分析結(jié)果的精確性,需要對(duì)有限元模型進(jìn)行驗(yàn)證．文獻(xiàn)[9]對(duì)不同溫度下T型圓鋼管節(jié)點(diǎn)的極限承載力進(jìn)行了試驗(yàn)研究,圖5是文獻(xiàn)[9]中的試驗(yàn)裝置圖．

圖5 驗(yàn)證試驗(yàn)裝置圖

由于管壁加厚型圓鋼管節(jié)點(diǎn)與未加固的圓鋼管節(jié)點(diǎn)的有限元模型建立方法類(lèi)似,因此本文選用了文獻(xiàn)[9]中5個(gè)試件的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)驗(yàn)證所建有限元模型的可靠性．驗(yàn)證模型如圖6所示,常溫下鋼材材料性質(zhì)采用試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),高溫下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用Eurocode 3(2005)中的強(qiáng)化形式,其他相關(guān)參數(shù)(如導(dǎo)熱系數(shù)等)均按照Eurocode 3(2005)中的規(guī)定選取．模型單元選用實(shí)體單元,以便于加固節(jié)點(diǎn)的研究．熱分析時(shí),單元類(lèi)型為DC3D8,力分析時(shí),單元類(lèi)型為C3D8I．分析時(shí),首先按照ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線(xiàn)將試件加熱到某一溫度并保持不變,然后在支管端部施加豎直向下的位移,最后得到荷載-位移曲線(xiàn)．

圖6 驗(yàn)證模型

試驗(yàn)中的5個(gè)試件分別表示為PT1-550、PT3-20、PT3-550 、PT3-700和PT5-550,其中數(shù)字下標(biāo)1、3、5表示節(jié)點(diǎn)編號(hào);數(shù)字550、20、700表示預(yù)設(shè)的試驗(yàn)溫度．表2為有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比．

表2 恒定高溫下有限元與試驗(yàn)極限承載力對(duì)比

由表2可以看出,有限元結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好,說(shuō)明本文提出的有限元模型是準(zhǔn)確可靠的,能夠用于T型圓鋼管節(jié)點(diǎn)的模擬分析．

2.2 有限元模型建立

驗(yàn)證模型采用了穩(wěn)態(tài)分析方法,本文中采用的是瞬態(tài)分析方法,即先在支管端部施加某一恒定軸力后保持,然后采用ISO834升溫曲線(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)施加溫度荷載至節(jié)點(diǎn)破壞．后者更能符合實(shí)際火災(zāi)情況．

熱分析中,除溫度場(chǎng)外,節(jié)點(diǎn)不受任何邊界條件及荷載的約束,熱分析結(jié)束時(shí)得到鋼管表面的溫度數(shù)據(jù);力分析時(shí),將主管兩端完全固定,支管端部約束除豎直位移以外的所有自由度,首先沿支管軸向施加一個(gè)恒定的壓力,穩(wěn)定后再將熱分析中得到的溫度數(shù)據(jù)導(dǎo)入,使鋼管升溫至失效．模型的邊界條件如圖7所示．

在對(duì)管壁加厚的T型圓鋼管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析時(shí),首先計(jì)算出T1在常溫下的極限承載力Fcr,再分別取Fcr的20%,40%,60%,80%作為各個(gè)節(jié)點(diǎn)模型火災(zāi)分析時(shí)支管的軸向外荷載,各級(jí)荷載列于表3中．

圖7 節(jié)點(diǎn)邊界條件

表3荷載等級(jí)

Tab.3 Load level kN

Fcr20% Fcr40% Fcr60%Fcr80%Fcr 334.266.84133.68200.52267.36

3 管節(jié)點(diǎn)抗火有限元分析結(jié)果

根據(jù)計(jì)算得到的有限元結(jié)果,發(fā)現(xiàn)隨著環(huán)境溫度的升高,節(jié)點(diǎn)上的溫度也在逐漸升高．圖8顯示了節(jié)點(diǎn)相貫處鋼管表面的溫度-時(shí)間曲線(xiàn),其中橫軸代表時(shí)間,縱軸代表溫度．從圖8中可以看出,隨著壁厚的增加,溫度增長(zhǎng)漸緩．

圖8 T型圓鋼管節(jié)點(diǎn)的溫度-時(shí)間曲線(xiàn)

3.1 失效模式

通過(guò)計(jì)算得到各節(jié)點(diǎn)的失效模式,如圖9所示．失效模式有節(jié)點(diǎn)失效(圖9(a))和構(gòu)件失效(圖9(b))2種．未加固節(jié)點(diǎn)全部表現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)失效．節(jié)點(diǎn)失效是指節(jié)點(diǎn)相貫線(xiàn)處發(fā)生主管表面塑性破壞．這是由于節(jié)點(diǎn)相貫線(xiàn)處應(yīng)力集中較大,應(yīng)力分布復(fù)雜;隨著溫度的升高,鋼材的屈服強(qiáng)度和彈性模量逐漸降低,且主管徑向剛度較小,主管上表面與支管相貫部分出現(xiàn)局部凹陷,并在鞍點(diǎn)附近出現(xiàn)鼓曲變形,而支管無(wú)明顯變形．構(gòu)件失效出現(xiàn)在加固模型RT2中荷載比為0.6Fcr和0.8Fcr的情況下,表現(xiàn)為主管端部下表面發(fā)生鼓曲,隨后管壁厚度改變處的上表面鼓曲,節(jié)點(diǎn)處無(wú)明顯變形,隨著溫度的上升節(jié)點(diǎn)整體產(chǎn)生向下的位移．

圖9 失效模式

3.2 主管變形-溫度曲線(xiàn)

主管變形是指在主管與支管相貫處,主管上表面與下表面的位移差,距離變小為正,距離變大為負(fù)．圖10是各節(jié)點(diǎn)在不同荷載等級(jí)下主管變形與溫度的關(guān)系．從圖10可以看出,加固節(jié)點(diǎn)與未加固節(jié)點(diǎn)的變形趨勢(shì)基本相同．在一開(kāi)始的恒溫加載階段,主管產(chǎn)生了微小的初始變形,荷載恒定后,在升溫的初始部分,由于管壁受熱膨脹,初始變形慢慢減小,隨著溫度的繼續(xù)升高,鋼材的強(qiáng)度逐漸降低,主管變形開(kāi)始變大,最終導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)破壞．從圖中還可以看出,荷載比對(duì)主管變形的影響非常顯著,荷載比越大,主管變形越快,達(dá)到破壞時(shí)的節(jié)點(diǎn)溫度越低．

比較圖10中的3個(gè)模型,加固節(jié)點(diǎn)在耐火性能的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)．在500℃之前,RT1和RT2的主管幾乎沒(méi)有變形,隨著溫度的上升,主管變形逐漸變大,最終節(jié)點(diǎn)失效．其中比較特殊的是,模型RT2在荷載比為0.6Fcr和0.8Fcr時(shí),主管變形一直很小,說(shuō)明在這2種情況下節(jié)點(diǎn)沒(méi)有破壞,而是產(chǎn)生了如圖9(b)所示的構(gòu)件破壞．這是因?yàn)榧庸毯蟮墓?jié)點(diǎn)主管徑向剛度增大,相比未加固節(jié)點(diǎn)抵抗支管軸向壓力的能力增大．在荷載比較小的時(shí)候,支管軸向壓力小,主管主要受軸力作用,而當(dāng)荷載比較大的時(shí)候,構(gòu)件產(chǎn)生了較大的初始撓度,隨著溫度升高,材料的屈服強(qiáng)度和彈性模量逐漸降低,構(gòu)件撓度繼續(xù)增大(如圖9(b)),與此同時(shí),主管因溫度升高膨脹產(chǎn)生的膨脹力,在主管端部產(chǎn)生了較大的附加彎矩,使構(gòu)件先于節(jié)點(diǎn)破壞．

圖10 T型圓鋼管節(jié)點(diǎn)主管變形-溫度曲線(xiàn)

常溫下,將主管變形達(dá)到主管直徑3%的時(shí)刻定義為節(jié)點(diǎn)的失效時(shí)刻．為了便于比較火災(zāi)下加固節(jié)點(diǎn)與未加固節(jié)點(diǎn)的耐火性能,本文采取了相同的失效準(zhǔn)則．失效時(shí)刻的節(jié)點(diǎn)溫度和加熱時(shí)間分別表示為臨界溫度和臨界時(shí)間．表4列出了3個(gè)模型在不同荷載比下臨界溫度與時(shí)間,其中MF表示構(gòu)件失效．從表4中可以看出加固后節(jié)點(diǎn)在失效時(shí)的耐火時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于未加固節(jié)點(diǎn)的耐火時(shí)間,所以加固的T型圓鋼管節(jié)點(diǎn)在耐火時(shí)間上具有很好的性能．

表4 T型圓鋼管節(jié)點(diǎn)變形臨界溫度與時(shí)間

3.3 主管軸向反力-溫度曲線(xiàn)

各節(jié)點(diǎn)的主管軸向反力與溫度的關(guān)系如圖11所示．從圖11可以看出,在升溫初期,由于鋼管受熱膨脹,主管受到壓力的作用并逐漸增大,隨著溫度的繼續(xù)上升,鋼管的屈服強(qiáng)度和彈性模量下降,主管撓度逐漸增大,抵消了一部分由受熱膨脹產(chǎn)生的壓力,所以軸向反力開(kāi)始減小,隨著撓度的繼續(xù)增大,軸向反力慢慢轉(zhuǎn)化為拉力．在同一個(gè)節(jié)點(diǎn)中,荷載比越大,軸向反力極值(將主管中軸向壓力所能達(dá)到的最大值定義為軸向反力極值)越小．

對(duì)比3個(gè)節(jié)點(diǎn)的軸向反力與溫度的關(guān)系圖可以看出:2個(gè)加固節(jié)點(diǎn)RT1和RT2的軸向反力極值基本相同,這說(shuō)明管壁加厚的程度對(duì)節(jié)點(diǎn)的軸向反力影響不敏感．當(dāng)荷載等級(jí)較大時(shí),未加固節(jié)點(diǎn)的軸向反力極值遠(yuǎn)小于加固節(jié)點(diǎn)的軸向反力極值;當(dāng)荷載等級(jí)較小時(shí),3個(gè)節(jié)點(diǎn)的軸向反力極值基本相同．這是因?yàn)閷?duì)于加固節(jié)點(diǎn)或是荷載較小的情況,主管主要受軸力,撓度較小,在較長(zhǎng)一段時(shí)間里,膨脹產(chǎn)生的軸向壓力起主導(dǎo)作用;而對(duì)于荷載較大時(shí)的未加固節(jié)點(diǎn),主管撓度相對(duì)較大,產(chǎn)生“懸鏈線(xiàn)”作用,使主管內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力而減弱了膨脹引起的壓應(yīng)力．

圖11 T型圓鋼管節(jié)點(diǎn)軸向反力-溫度曲線(xiàn)

4 結(jié) 論

利用有限元軟件ABAQUS對(duì)主管管壁加厚的T型圓鋼管節(jié)點(diǎn)在高溫恒載作用下的抗火性能進(jìn)行對(duì)比分析,得到以下結(jié)論:

(1)對(duì)于管壁加厚的T型圓鋼管節(jié)點(diǎn),在相同的受熱條件下,管壁厚度越大,節(jié)點(diǎn)表面的溫度越低．

(2)未加固節(jié)點(diǎn)的典型失效模式是節(jié)點(diǎn)失效,而在加固節(jié)點(diǎn)中,當(dāng)管壁厚度和荷載比均較大時(shí),失效模式由節(jié)點(diǎn)失效變?yōu)闃?gòu)件失效．

(3)通過(guò)不同荷載比下臨界時(shí)間和臨界溫度的對(duì)比,加固節(jié)點(diǎn)較未加固節(jié)點(diǎn)有更好的耐火性能,且管壁厚度越大,耐火性能越強(qiáng)．

(4)當(dāng)荷載較大時(shí),未加固節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生了懸鏈線(xiàn)作用,從而減小了主管中的軸向反力,而加固節(jié)點(diǎn)由于徑向剛度增大減弱了這一影響．

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