環(huán)口套管加強(qiáng)型T型圓鋼管節(jié)點(diǎn)的滯回性能研究

宋生志,魏建軍,沈磊

(江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇省建筑安全與減災(zāi)工程技術(shù)研發(fā)中心,江蘇 徐州 221116;2.江蘇九洲投資集團(tuán)房產(chǎn)開發(fā)有限公司,江蘇 常州 213000)

環(huán)口套管加強(qiáng)型T型圓鋼管節(jié)點(diǎn)的滯回性能研究

宋生志1,魏建軍1,沈磊2

(江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇省建筑安全與減災(zāi)工程技術(shù)研發(fā)中心,江蘇 徐州 221116;2.江蘇九洲投資集團(tuán)房產(chǎn)開發(fā)有限公司,江蘇 常州 213000)

為了提高桁架管節(jié)點(diǎn)的承載力及抗震性能,采用環(huán)口套管加強(qiáng)方式對(duì)管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加強(qiáng).基于有限元分析環(huán)口套管加強(qiáng)型管節(jié)點(diǎn)在承受軸向循環(huán)荷載作用下的滯回性能.通過分析發(fā)現(xiàn)：環(huán)口套管加強(qiáng)模型滯回曲線包圍的面積顯著大于未加固模型滯回曲線所包圍的面積.同時(shí),由于環(huán)口套管提高了節(jié)點(diǎn)相貫部位的主管剛度,使得破壞部位于相貫處的焊趾處轉(zhuǎn)移到了套管兩端邊緣部位的主管表面.此外,基于有限元計(jì)算結(jié)果,分析了模型的延性比和能量耗散等抗震性能參數(shù).結(jié)果表明：加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)的延性比和能量耗散值均有大幅度提高.

T型圓鋼管節(jié)點(diǎn);環(huán)口套管;滯回曲線;有限元分析;抗震性能

圓鋼管結(jié)構(gòu)由于其優(yōu)越的受力性能和優(yōu)美 的造型,被廣泛應(yīng)用于抗震烈度設(shè)防較高區(qū)域的結(jié)構(gòu)工程中.對(duì)于海洋平臺(tái)、橋梁及堤壩等經(jīng)常承受海風(fēng)、海浪、海嘯、地震等強(qiáng)動(dòng)力作用的結(jié)構(gòu),需要重點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)的敏感區(qū)域(管節(jié)點(diǎn)部位)進(jìn)行加強(qiáng).目前,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)管節(jié)點(diǎn)的滯回性能進(jìn)行了研究,文獻(xiàn)[1-2]對(duì)完全疊接形式管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了滯回性能試驗(yàn)和有限元分析,發(fā)現(xiàn)此種形式管節(jié)點(diǎn)在循環(huán)荷載作用下其破壞部位發(fā)生了轉(zhuǎn)變.文獻(xiàn)[3-6]分別對(duì)不同形式的圓鋼管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了滯回性能試驗(yàn)和有限元分析,發(fā)現(xiàn)鋼管節(jié)點(diǎn)耗能性能較好.文獻(xiàn)[7]對(duì)T型方鋼管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了滯回性能試驗(yàn)測試,發(fā)現(xiàn)方鋼管節(jié)點(diǎn)的延性較好,節(jié)點(diǎn)最終的破壞模式為主支管交匯處的斷裂破壞.

基于相關(guān)文獻(xiàn)的研究發(fā)現(xiàn),管節(jié)點(diǎn)在循環(huán)荷載作用下,盡管具有較好的耗能性能,但是最終還是會(huì)在焊縫周圍發(fā)生脆性斷裂,原因是節(jié)點(diǎn)主管的徑向剛度差所造成的.目前,對(duì)管節(jié)點(diǎn)主管徑向剛度加強(qiáng)的方法較多,如內(nèi)置加勁環(huán)或插板加強(qiáng),局部加厚和墊板加強(qiáng),環(huán)口板加強(qiáng)等[8-11]方法.本文提出了一種新型管節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)方式-環(huán)口套管加強(qiáng),此種方式操作簡單,可對(duì)服役期內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固.因此,研究環(huán)口套管加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)的抗震性能是非常有意義的.

1 環(huán)口套管加強(qiáng)型管節(jié)點(diǎn)模型

1.1 幾何模型

環(huán)口套管加強(qiáng)型鋼管節(jié)點(diǎn)如圖1所示,可以對(duì)服役期內(nèi)的管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加強(qiáng)及維護(hù).其加工方法是將一段內(nèi)徑與主管外徑相同的鋼管從中間沿軸向等分切開,且在兩半塊鋼管的直線邊切出一個(gè)與相貫線吻合孔口.孔邊緣需進(jìn)行削內(nèi)邊處理,以便和管節(jié)點(diǎn)相貫處焊縫能接觸吻合.環(huán)口處的孔口邊緣通過角焊縫焊接到支管表面,上下直線邊采用坡口熔透焊彼此焊接在一起,兩側(cè)弧線邊則通過角焊縫焊接到主管表面上.圖1列出了管節(jié)點(diǎn)常用的幾個(gè)相關(guān)無量綱參數(shù)β,γ和τ.

圖1 環(huán)口套管加強(qiáng)型T型節(jié)點(diǎn)Fig.1 T-joint reinforced with collar casing pipe

1.2 有限元模型

環(huán)口套管加強(qiáng)型管節(jié)點(diǎn)模型均采用3-D實(shí)體8節(jié)點(diǎn)[C3D8R]減縮積分單元.這里采用實(shí)體單元而不采用殼單元進(jìn)行建模的原因是實(shí)體單元可以反映出沿著管壁厚度方向上的應(yīng)力分布的變化情況.實(shí)體單元可以準(zhǔn)確地定義和模擬環(huán)口套管和主管表面之間的接觸關(guān)系.在支管承受軸向作用力時(shí),環(huán)口套管和其覆蓋的主管表面之間變形不協(xié)調(diào).因此,需要在環(huán)口套管內(nèi)側(cè)和其接觸的主管表面之間建立接觸單元.在接觸分析中,環(huán)口套管內(nèi)表面定義為從面,與其接觸的主管外表面定義為主面,從面的網(wǎng)格密度需比主面的網(wǎng)格密度大.接觸面的法線方向采用“硬”接觸,這樣垂直于接觸面的壓力可以完全在界面間傳遞.在切向方向采用罰函數(shù),界面摩擦系數(shù)定為0.3.網(wǎng)格的密度對(duì)計(jì)算結(jié)果有一定的影響.為了提高計(jì)算效率及保證計(jì)算精度,在應(yīng)力梯度變化較大的區(qū)域(主支管交匯處)采用密度較大的網(wǎng)格進(jìn)行劃分,在遠(yuǎn)離應(yīng)力梯度變化較大的區(qū)域采用密度較小的網(wǎng)格進(jìn)行劃分.

2 有限元模型驗(yàn)證

采用上述建模方法建立環(huán)口板加強(qiáng)型管節(jié)點(diǎn),有限元模型完全依照文獻(xiàn)[12]中試驗(yàn)所提供的幾何尺寸、材料屬性、邊界條件以及加載方式進(jìn)行建立.圖2顯示了有限元模型計(jì)算與文獻(xiàn)[12]中試驗(yàn)測試得到的滯回曲線對(duì)比圖,從圖中可見,有限元模擬和試驗(yàn)測試的滯回曲線吻合較好.表明采用上述建模方法對(duì)環(huán)口板加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模擬計(jì)算是精確可靠的.由于環(huán)口套管加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)模型的建模思路和方法與環(huán)口板加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)模型完全一致.因此,本文建立的環(huán)口套管加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)模型可以用來準(zhǔn)確計(jì)算分析其滯回性能.

圖2 試驗(yàn)測試和有限元模擬滯回曲線Fig.2 Hysteretic curves of testing and finite element simulation

3 環(huán)口套管加強(qiáng)型管節(jié)點(diǎn)的滯回性能

為了研究環(huán)口套管對(duì)T型管節(jié)點(diǎn)滯回性能的提高效果,分別對(duì)環(huán)口套管加強(qiáng)型管節(jié)點(diǎn)模型和未加強(qiáng)管節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行了有限元分析.加強(qiáng)型與未加強(qiáng)型管節(jié)點(diǎn)模型的幾何參數(shù)見表1.

在對(duì)表1中的T型管節(jié)點(diǎn)模型的滯回性能進(jìn)行有限元分析時(shí),主管兩端均采用鉸接約束,在支管端按照規(guī)定的加載制度施加軸向壓力和拉力.規(guī)定的加載制度為：初始循環(huán)的拉壓最大位移為5 mm,每增加一個(gè)循環(huán),其拉壓最大位移均增加5 mm.整個(gè)試驗(yàn)過程采用位移控制的方法進(jìn)行加載.節(jié)點(diǎn)主、支管及環(huán)口套管的材料模型均采用理想彈塑性模型,滿足Von Mises屈服準(zhǔn)則.彈性模量E=206 000 MPa,泊松比v=0.3,屈服強(qiáng)度為345 MPa.圖3給出了兩組加強(qiáng)與未加強(qiáng)模型的滯回曲線.從圖中可以發(fā)現(xiàn),兩組模型滯回曲線中,加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)的滯回曲線所包圍的面積均大于未加強(qiáng)模型滯回曲線所包圍的面積,且加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)的每一個(gè)循環(huán)頂點(diǎn)處的荷載值也均大于未加強(qiáng)節(jié)點(diǎn).這表明環(huán)口套管不但可以有效提高管節(jié)點(diǎn)的承載力,而且增大了節(jié)點(diǎn)的變形和延性.因此,加強(qiáng)后管節(jié)點(diǎn)在承受地震、海風(fēng)及海浪等強(qiáng)動(dòng)力荷載時(shí),具有更強(qiáng)的耗能能力,即具有更好的抗震、抗風(fēng)及抗海浪能力.

表1 T型管節(jié)點(diǎn)模型幾何尺寸Tab.1 Geometrical dimensions of tubular T-joint models

圖3 T型管節(jié)點(diǎn)模型的滯回曲線Fig.3 Hysteretic curves of T-joint models

4 環(huán)口套管加強(qiáng)型管節(jié)點(diǎn)的破壞模式

圖4 軸向拉壓T型管節(jié)點(diǎn)破壞模態(tài)Fig4 Failure modes of reinforced and unreinforced tubular T-joint under compression and tension

圖4給出了環(huán)口套管加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)和未加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)分別在受壓階段和受拉階段的破壞模式.從圖中可以發(fā)現(xiàn),加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)在受壓和受拉階段的破壞模式均為環(huán)口套管兩端邊緣處主管表面的局部屈曲破壞.而未加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)在受壓階段主要表現(xiàn)為主支管相貫處主管表面的局部屈曲破壞,在受拉階段為主支管相貫處主管表面的屈服破壞及主管側(cè)壁內(nèi)傾凹陷破壞.以上分析表明：由于環(huán)口套管提高了節(jié)點(diǎn)相貫處的主管徑向剛度,降低了主支管焊接處的應(yīng)力集中,從而使得破壞部位發(fā)生了轉(zhuǎn)移.因此,環(huán)口套管能有效地保護(hù)管節(jié)點(diǎn)相貫處,避免其發(fā)生局部屈曲及屈服破壞.

5 骨架曲線與延性比

延性比(μ)是用來衡量結(jié)構(gòu)或構(gòu)件抗震性能的一個(gè)重要指標(biāo),反映了結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件進(jìn)入屈服后以及達(dá)到破壞之前的變形能力,結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的延性比越大表明其耗散地震能及承受非彈性變形的能力越強(qiáng).延性比定義為：結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件的極限位移與屈服位移的比值,即：μ=δu/δy,其中δu和δy分別表示極限位移和屈服位移.極限位移和屈服位移的值是通過滯回曲線的骨架曲線確定.在圖3的滯回曲線中,將每個(gè)加載循環(huán)中的荷載峰值點(diǎn)連接起來形成的曲線,即為骨架曲線.如圖5為加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)和未加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的骨架曲線.

由圖5可以看出,兩個(gè)節(jié)點(diǎn)模型在低周往復(fù)荷載作用下,分別經(jīng)歷了彈性段、屈服段和強(qiáng)化段.骨架曲線由彈性段向屈服段過渡過程中存在一個(gè)拐點(diǎn),此點(diǎn)定義為屈服點(diǎn),其所對(duì)應(yīng)的位移為屈服位移.在每一個(gè)循環(huán)荷載結(jié)束后,節(jié)點(diǎn)主管均存在一定的殘余變形,當(dāng)主管殘余變形達(dá)到主管直徑的3%時(shí),此加載循環(huán)荷載中的峰值點(diǎn)定義為極限荷載點(diǎn),其所對(duì)應(yīng)的位移為極限位移.由圖5兩組模型的骨架曲線可以得出加強(qiáng)模型和未加強(qiáng)模型在受拉和受壓狀態(tài)下的延性比μ見表2.

表2 模型的延性比Tab.2 Ductility ratios of the models

由表中的數(shù)據(jù)可以看出：環(huán)口套管加強(qiáng)型管節(jié)點(diǎn)模型在受拉和受壓狀態(tài)下的延性比均大于未加固管節(jié)點(diǎn)模型在對(duì)應(yīng)狀態(tài)下的延性比,表明環(huán)口套管有效提高管節(jié)點(diǎn)的延性,增強(qiáng)了管節(jié)點(diǎn)的抗震性能.

6 能量耗散比率

能量耗散比率μa是研究管節(jié)點(diǎn)滯回性能的另一個(gè)重要指標(biāo),其定義為：.

式中：Ey為首次達(dá)到屈服變形δy時(shí)所吸收的能量,k N·m,其計(jì)算表達(dá)式為Ey=pyδy/2;Eti和Eci分別表示受拉和受壓半循環(huán)的能量耗散,k N·m;N為循環(huán)次數(shù).能量耗散比率ηa值越大,說明非彈性階段的耗能占總耗能的比重越大,構(gòu)件的抗震性能就越好.表3給出了環(huán)口套管加強(qiáng)模型和未加強(qiáng)模型的累積能量耗散比.從表中數(shù)據(jù)可以看出：無論對(duì)于加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)還是未加強(qiáng)節(jié)點(diǎn),其能量耗散比率均較大,表明兩者主要靠非彈性階段的變形來進(jìn)行能量耗散.但相比之下,加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)在非彈性階段的耗能更多.因此,進(jìn)一步表明加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)具有更好的抗震性能.

表3 滯回曲線能量耗散比Tab.3 Energy dissipation ratio of hysteretic curves

7 結(jié)論

基于對(duì)兩組環(huán)口套管加強(qiáng)型和未加強(qiáng)型管節(jié)點(diǎn)模型的有限元分析,得到以下結(jié)論：

1)采用環(huán)口套管加強(qiáng)方式可以改變管節(jié)點(diǎn)的破壞模式,破壞部位由節(jié)點(diǎn)相對(duì)薄弱的相貫焊趾處轉(zhuǎn)移到了環(huán)口套管兩端邊緣部位的主管表面.

2)采用環(huán)口套管加強(qiáng)方式不但可以有效提高管節(jié)點(diǎn)的靜力強(qiáng)度,而且可以增大節(jié)點(diǎn)破壞前的變形能力,加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)的滯回曲線更加飽滿,包圍的面積更大,延性比大,耗能能力強(qiáng),具有更好的抗震性能.

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Study on hysteretic behaviour of tubular T-joint reinforced with collar casing pipe

SONGSheng-zhi1,WEI Jian-jun1,SHEN Lei2
(1.Jiangsu Research&Development Centre of Construction Safety and Disaster Mitigation,Jiangsu Jianzhu Institute,Xuzhou,Jiangsu 221116,China;2.Jiangsu Jiuzhou Investment Group Real Estate Development Co.,Ltd,Changzhou,Jiangsu 213000,China)

In order to improve the bearing capacity and anti-seismic behaviour,the tubular T-joint is reinforced with collar casing pipe.The hysteretic behaviour of tubular T-joint reinforced with collar casing pipe is studied under axial cyclic load by finite element method.It is found that the enclosed area of the reinforced model is remarkably bigger than that of the un-reinforced one.Meanwhile,because the stiffness of tubular T-joint is improved by collar casing pipe,the failure position transfers from the weld toe to the chord surface near by the end edge of collar casing pipe.Additionally,the ductility ratio and the energy dissipation of the models are analyzed based on results of finite element calculation and the results show that the ductility ratio and energy dissipation of the reinforced model have been improved greatly.

Tubular T-joints;collar casing pipe;hysteretic curve;finite element analysis;seismic behaviour

TU 398

A

2095-3550(2014)01-0016-05

2013-12-27

江蘇省建設(shè)科技項(xiàng)目 (201307310010)

宋生志,男,山東德州人,工程師,碩士

E-mail：songshengzhi@126.com

(責(zé)任編輯：陶紅林)