方鋼管混凝土X型節(jié)點受拉力學(xué)性能的非線性有限元分析

程　高,　劉永健,　俞文龍,　龍　剛,2

(1.長安大學(xué) 公路學(xué)院,陜西 西安　710064; 2.西安市政設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安　710068)

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方鋼管混凝土X型節(jié)點受拉力學(xué)性能的非線性有限元分析

程高1,劉永健1,俞文龍1,龍剛1,2

(1.長安大學(xué) 公路學(xué)院,陜西 西安710064; 2.西安市政設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安710068)

摘要:為研究主管軸力、內(nèi)填混凝土對方鋼管節(jié)點受拉力學(xué)性能的影響,文章進行了X型節(jié)點受拉的非線性有限元分析。以方鋼管混凝土X型節(jié)點受拉試驗為研究原型,改變主管的軸力比、寬厚比、支主管寬度比等參數(shù),設(shè)計了12個方鋼管混凝土和12個方鋼管X型受拉節(jié)點試件，分別從節(jié)點承載力、抗拉剛度、支主管應(yīng)力分布等方面進行了對比分析。結(jié)果表明:改變主管軸拉比、支主管寬度比及主管寬厚比,方鋼管混凝土相對于方鋼管的節(jié)點承載力提高均不顯著;主管受軸壓力作用時,方鋼管混凝土節(jié)點承載力高于方鋼管節(jié)點；方鋼管混凝土節(jié)點的抗拉剛度、抗疲勞性能顯著高于方鋼管節(jié)點。

關(guān)鍵詞:鋼管混凝土;X型節(jié)點;受拉;軸力比;有限元分析

方鋼管內(nèi)填混凝土后鋼管的抗屈曲性能增強,構(gòu)件軸壓承載力顯著提高,節(jié)點處主管應(yīng)力水平降低,抗變形能力增強,從而使得鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在橋梁工程領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用。

鋼管混凝土組合桁梁橋中主桁架是承受結(jié)構(gòu),其可能的破壞模式主要有支管的強度或失穩(wěn)破壞、主管的強度破壞以及支主管連接節(jié)點破壞。節(jié)點容易成為桁梁橋結(jié)構(gòu)的薄弱部位,節(jié)點設(shè)計是桁梁橋結(jié)構(gòu)設(shè)計的難點,節(jié)點形式主要有Y型、K型、N型和X型。與Y、K、N型鋼管混凝土節(jié)點相比,X型節(jié)點結(jié)構(gòu)簡單、受力明確,易于分析和揭示鋼管混凝土受拉節(jié)點的工作機理。文獻[1]進行了4個方鋼管混凝土和1個方鋼管X型節(jié)點的受拉試驗,發(fā)現(xiàn)主管內(nèi)填混凝土改變了節(jié)點區(qū)域應(yīng)力分布,對節(jié)點承載力提高不顯著,推薦采用矩形鋼管節(jié)點承載力計算公式驗算鋼管混凝土節(jié)點承載力[2]。文獻[3]進行了3個矩形鋼管混凝土和3個矩形鋼管T型節(jié)點受拉試驗,發(fā)現(xiàn)矩形鋼管混凝土節(jié)點極限承載力較高,但達到極限承載力時節(jié)點局部變形均較大,節(jié)點承載力由局部變形控制,計算鋼管混凝土節(jié)點承載力時可不考慮管內(nèi)混凝土作用,按矩形鋼管節(jié)點承載力計算[4-5],并指出支主管寬度比較大時,主管內(nèi)填混凝土可能提高節(jié)點承載力[3]。以上研究受試件數(shù)量限制,分析參數(shù)變化幅值較小,且未進行主管軸力的影響分析。為此,本文擬拓寬支主管寬度比、主管寬厚比的取值范圍,并考慮主管軸力作用,對比分析方鋼管混凝土和方鋼管X型受拉節(jié)點在承載力、抗拉剛度及支主管應(yīng)力分布等方面的差異,以期能夠進一步揭示方鋼管混凝土節(jié)點的受拉力學(xué)性能,為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1試件參數(shù)設(shè)計

在X型鋼管混凝土節(jié)點支管軸向受拉試驗[1]的基礎(chǔ)上,本文通過改變主管的軸力比k(主管軸力與截面軸壓(拉)承載力之比)、寬厚比γ、支主管寬度比β等參數(shù),設(shè)計了12個方鋼管混凝土和12個方鋼管X型節(jié)點受拉試件,其截面形式如圖1所示。材料類型：鋼管Q345,混凝土C30。

方鋼管混凝土節(jié)點和方鋼管節(jié)點幾何參數(shù)相同,區(qū)別在于主管內(nèi)是否填混凝土。標(biāo)準(zhǔn)型方鋼管混凝土節(jié)點試件主管的長度、寬度及壁厚與試件Xt-26相同[1],為防止支主管寬度比較大時節(jié)點出現(xiàn)支管軸拉破壞,增加支管厚度至4.0 mm。第Ⅰ組、第Ⅱ組及第Ⅲ組試件旨在考察支主管寬度比β、寬厚比γ、軸壓比k對X型受拉節(jié)點力學(xué)性能的影響。第Ⅰ組參數(shù)如下：t0取4.0 mm,b1分別取40、60、80 mm,k取0，變化參數(shù)為β。第Ⅱ組參數(shù)如下：t0分別取2.0、6.0、8.0 mm;b1取40 mm，變化參數(shù)為γ。第Ⅲ組參數(shù)如下：t0取4.0 mm,b1取40 mm,變化參數(shù)k取-0.2、-0.4、-0.6、-0.8、0.8 mm。其中,β=b1/b0,γ=b0/(2t0);k=F0/Fy0,k>0時主管受拉,Fy0=Asfy;k<0時主管受壓,對于方鋼管節(jié)點,Fy0=Asfy;對于方鋼管混凝土節(jié)點[2],Fy0=Asfy+Acfc;As為主管鋼管的截面面積;Ac為管內(nèi)混凝土的截面面積;fy為鋼材的屈服強度;fc為管內(nèi)混凝土的軸心抗壓強度;b1為支管的寬度;b0為主管的寬度;t0為主管鋼管的厚度;F0為施加至主管的軸力;Fy0為主管截面的軸拉(壓)承載力。

2X型節(jié)點非線性有限元模型的建立

采用ABAQUS軟件建立X型節(jié)點的有限元分析模型,模型中考慮材料非線性、幾何非線性及鋼-混界面接觸非線性。由于支主管連接焊縫的模擬與否對節(jié)點的承載力和抗拉剛度影響較大,故建模時模擬焊縫。

2.1　鋼材和混凝土的本構(gòu)模型

鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用二折線的彈塑性模型,鋼材的屈服強度fy為325 MPa,極限抗拉強度fu為580 MPa,彈性模量Es為2.06×105MPa,泊松比νs為0.283?；炷帘緲?gòu)關(guān)系采用ABAQUS軟件提供的混凝土損傷模型[6],混凝土單軸受壓模型采用矩形鋼管核心混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系[7],混凝土單軸受拉模型采用文獻[8]的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系?；炷凛S心抗壓強度fc為23.6 MPa,軸心抗拉強度ft為2.6 MPa,彈性模量Ec為2.8×104MPa,泊松比νc為0.167。

2.2　鋼-混接觸模型

鋼-混界面接觸模型由鋼與混凝土界面的法向接觸和切向黏結(jié)滑移構(gòu)成。鋼管與混凝土界面法向接觸采用“硬”接觸,接觸面?zhèn)鬟f界面壓力為p,界面切向接觸采用“庫侖摩擦”模型,即在τ≤τe時界面不發(fā)生相對滑動,在τ>τe時界面發(fā)生相對滑動,且剪應(yīng)力保持為τe。其中,τe為剪力臨界值,τe=up>τu,τu為界面平均黏結(jié)強度,取0.462 MPa[9];u為界面摩擦系數(shù),取0.3。κ為界面黏結(jié)-滑移剪切模量[9],取0.165 MPa。

2.3　焊縫的模擬

2.4　單元類型選取與模型網(wǎng)格劃分

主管鋼管采用ABAQUS提供的S8R5殼單元,沿厚度方向的辛普森積分點為9個,網(wǎng)格尺寸約為6 mm×6 mm?；炷敛捎肅3D8R實體單元,網(wǎng)格尺寸為8 mm×8 mm×8 mm;支管采用S8R5殼單元,沿厚度方向辛普森積分點為7個,網(wǎng)格尺寸為8 mm×8 mm。加密焊縫處的單元網(wǎng)格,網(wǎng)格尺寸為3 mm×6 mm。鋼管和混凝土采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù),焊縫采用自由網(wǎng)格劃分技術(shù),模型網(wǎng)格劃分如圖3所示。

2.5　邊界條件

利用X型節(jié)點荷載和邊界條件的對稱性,取1/8節(jié)點模型進行數(shù)值模擬。主管受軸壓力作用下支主管寬度比為0.6的1/8 X型節(jié)點模型的邊界條件如圖4所示。

主管鋼管與鋼性面采用綁定約束,并建立參考點RP1與鋼性面的剛性連接。約束參考點RP1的DY、DZ、RX、RY、RZ的自由度,對參考點RP1施加軸壓力F0,對支管殼單元施加Z軸正方向的殼單元荷載或位移。主管與支管、主管與焊縫及支管與焊縫連接采用綁定約束。對稱邊界條件的施加見表1所列。

2.6　模型驗證與計算工況選取

試件Xt-26荷載-支管軸向位移曲線如圖5所示。由圖5可知,有限元計算值比試驗值稍大,但變形規(guī)律整體吻合較好,有限元模型參數(shù)選取合理,可進行后續(xù)的數(shù)值模擬。

選取2種計算工況進行數(shù)值模擬。工況1為對Xs、Xsc類試件采用支管軸向位移加載10 mm,以得到各試件的節(jié)點承載力和抗拉剛度。工況2為對支管截面施加1 MPa的軸向拉應(yīng)力,以得到各試件支主管的應(yīng)力分布情況。

3結(jié)果分析

3.1　節(jié)點承載力

節(jié)點承載力N3為節(jié)點局部變形達到主管寬度的3%時所對應(yīng)的荷載[11],節(jié)點局部變形是指主管頂板受支管軸拉力作用下向外鼓曲變形。通過對計算工況1的數(shù)值模擬分析可得節(jié)點承載力隨支主管寬度比β、主管寬度比γ、軸力比k等參數(shù)的變化規(guī)律,如圖6所示。

由圖6a可知,方鋼管混凝土和方鋼管節(jié)點受拉承載力均隨支主管寬度比β的增大而增大。方鋼管混凝土節(jié)點的承載力略高于方鋼管節(jié)點,但提高幅值受支主管寬度比β變化不敏感,說明支主管寬度比較大時,主管內(nèi)填混凝土不可能提高節(jié)點承載力。由圖6b可知,方鋼管混凝土與方鋼管的節(jié)點承載力隨主管寬厚比γ的增大而減小,且兩者的節(jié)點承載力接近。不同的主管寬厚比下,方鋼管混凝土節(jié)點承載力與方鋼管節(jié)點承載力相比，提高均不顯著。由圖6c可知,當(dāng)k>0(主管受拉)時,方鋼管混凝土和方鋼管的節(jié)點承載力受軸力比k的影響不顯著;當(dāng)k<0(主管受壓)時,方鋼管混凝土和方鋼管的節(jié)點承載力均隨k的減小而減小,但方鋼管節(jié)點承載力下降更為明顯,方鋼管混凝土節(jié)點承載力顯著高于方鋼管節(jié)點。

3.2　抗拉剛度

支管軸向荷載-節(jié)點局部變形曲線初始彈性階段的斜率反映了節(jié)點的抗拉剛度K*。節(jié)點抗拉剛度K*隨支主管寬度比β、主管寬度比γ、軸力比k等參數(shù)的變化情況如圖7所示。

由圖7可看出,方鋼管混凝土和方鋼管節(jié)點的抗拉剛度均隨支主管寬度比β的增大而增大，隨主管寬度比γ的增大而減小，隨軸壓力的增大而減小,受軸拉力的影響不顯著；方鋼管混凝土節(jié)點的抗拉剛度顯著高于方鋼管節(jié)點。

3.3　應(yīng)力分布

對支管施加1 MPa的拉應(yīng)力,以距支主管交匯處16 mm支管截面和主管頂截面的軸向應(yīng)力作為評價指標(biāo),對比分析支主管寬度比β、主管寬厚比γ及軸力比k對X型節(jié)點連接區(qū)域支主管應(yīng)力分布規(guī)律的影響,應(yīng)力分析選取位置如圖8所示。

圖8中，Ⅰ-Ⅰ截面中線A、線B為支管應(yīng)力分析位置,線A與主管軸向平行,線B與主管軸向垂直；Ⅱ-Ⅱ截面中線C為主管應(yīng)力分析位置。規(guī)定拉應(yīng)力為正,壓應(yīng)力為負(fù)。

不同支主管寬度比β、寬厚比γ和軸力比k對應(yīng)的支主管應(yīng)力分布情況如圖9、圖10所示。

由圖9和圖10可知,方鋼管混凝土節(jié)點和方鋼節(jié)點的支管截面A、截面B和主管C截面處應(yīng)力隨支主管寬度比的增大而減小，隨主管寬厚比增大而增大。方鋼管混凝土節(jié)點支、主管應(yīng)力分布隨軸力比的增大逐漸趨于均勻，方鋼管節(jié)點支、主管受軸力比影響相對較小。方鋼管混凝土支、主管應(yīng)力水平比方鋼管節(jié)點低。由此可見，主管內(nèi)填混凝土可以降低節(jié)點的應(yīng)力集中程度，從而提高了節(jié)點的抗疲勞性能。

綜上所述,方鋼管混凝土節(jié)點與方鋼管節(jié)點相比支主管應(yīng)力集中程度較低,節(jié)點抗疲勞性能較好。方鋼管混凝土節(jié)點和方鋼管節(jié)點支主管應(yīng)力水平均隨支主管寬度比的增大而減小,隨寬厚比的增大而減小,方鋼管節(jié)點應(yīng)力水平受軸力比的影響不顯著,方鋼管混凝土節(jié)點隨軸力的增大而減小。

4結(jié)論

(1) 方鋼管混凝土X型受拉節(jié)點的承載力隨支主管寬度比的增大而增大,隨主管寬厚比的增大而減小。主管受軸壓力作用下,方鋼管混凝土節(jié)點承載力顯著高于方鋼管節(jié)點。改變支主管寬度比、主管寬厚比及主管軸拉力比例,方鋼管混凝土節(jié)點承載力與方鋼管節(jié)點承載力相比提高均不顯著。

(2) 方鋼管混凝土X型節(jié)點抗拉剛度顯著高于方鋼管節(jié)點。方鋼管混凝土X型節(jié)點抗拉剛

度隨支主管寬度比的增大而增大,隨主管寬厚比的增大而減小。主管受軸壓力作用下,節(jié)點抗拉剛度隨著軸力比的增大而增大,主管受軸拉力作用下,節(jié)點的抗拉剛度隨軸力比變化不顯著。

(3) 方鋼管混凝土X型節(jié)點與方鋼管節(jié)點相比支主管應(yīng)力集中程度較低,節(jié)點抗疲勞性能較好。方鋼管混凝土節(jié)點應(yīng)力水平均隨支主管寬度比增大而減小,隨主管寬厚比的增大而增大。方鋼管混凝土節(jié)點支主管應(yīng)力水平隨軸力的增大而減小,方鋼管節(jié)點支主管應(yīng)力水平受軸拉力的影響不顯著。

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(責(zé)任編輯閆杏麗)

Nonlinear finite element analysis of concrete-filled square steel tube X-connections subjected to tension

CHENG Gao1，LIU Yong-jian1， YU Wen-long1，LONG Gang1,2

(1.School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064， China; 2.Xi’an Municipal Engineering Design and Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710068, China)

Abstract:The nonlinear finite element analysis of X-connections was done to study the mechanics of square steel tube connections influenced by axial load and concrete. Based on the experiment of concrete-filled square steel tube X-connections subjected to tension, the axial load ratio, thickness ratio of chord and width ratio between branch and chord were changed. Twelve concrete-filled square steel tube X-connections and 12 square steel tube X-connections were designed for the numerical model. The differences among joints ability, tensile stiffness and stress distribution in branch and chord were analyzed. The results show that the joints ability of concrete-filled square steel tube X-connections is higher than that of square steel tube X-connections under the compression on chord. There is no significant enhancement in joints ability of square steel tube X-connections filled with concrete in different axial tensile ratio, thickness ratio of chord and width ratio between branch and chord. Compared with square steel tube, concrete-filled square steel tube X-connections have higher tensile stiffness and better anti-fatigue performance.

Key words:concrete-filled steel tube; X-connection; tension; axial load ratio; finite element analysis

收稿日期：2014-09-15；修回日期：2014-12-10

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51178051;5178068);交通運輸部建設(shè)科技資助項目(2013318812410)和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(2013G3212001)

作者簡介：程高(1988-),男,河南泌陽人,長安大學(xué)博士生； 劉永健(1966-)，男，江西婺源人，博士，長安大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2015.03.015

中圖分類號:TU398

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-5060(2015)03-0358-06