環(huán)口板加固T型圓鋼管極限承載力的試驗(yàn)研究

張寶峰 邵 鵬 申傳瑞 張平霞

(1.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590； 2.中煤邯鄲中原建設(shè)監(jiān)理咨詢有限責(zé)任公司，山東 青島 266590)

環(huán)口板加固T型圓鋼管極限承載力的試驗(yàn)研究

張寶峰1邵 鵬1申傳瑞1張平霞2

(1.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590； 2.中煤邯鄲中原建設(shè)監(jiān)理咨詢有限責(zé)任公司，山東 青島 266590)

為研究環(huán)口板的加固效果，對(duì)5個(gè)T型圓鋼管試件支管處施加軸向壓力，試驗(yàn)分析了加固、環(huán)口板加固及傷損再加固后鋼管的極限承載力，試驗(yàn)結(jié)果表明：環(huán)口板可以有效的提高主支管節(jié)點(diǎn)處的剛度，提高試件的承載力，對(duì)于不同程度的傷損試件，環(huán)口板依然有著可觀的加固效果。

T型圓鋼管，環(huán)口板，震損，加固，靜力實(shí)驗(yàn)

0 引言

管結(jié)構(gòu)是指全部或部分使用鋼管的結(jié)構(gòu)體系。因自重小、易施工、經(jīng)濟(jì)美觀等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代結(jié)構(gòu)中[1-4]。但是管結(jié)構(gòu)也有自身的缺點(diǎn)，由于空心壁薄的特點(diǎn)，管結(jié)構(gòu)的徑向剛度通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其軸向剛度，所以在受到支管處的荷載時(shí)，破壞模式通常是主支管焊縫處的局部屈服和局部屈曲。

為提高管結(jié)構(gòu)的承載力，在節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行加固。管結(jié)構(gòu)的加固大致上分為內(nèi)加固和外加固兩種，內(nèi)加固包括內(nèi)置插板、內(nèi)置加勁環(huán)以及主管壁加厚等。文獻(xiàn)[5]對(duì)內(nèi)置插板的性能做了試驗(yàn)與理論分析。文獻(xiàn)[6][7]分析了內(nèi)置加勁環(huán)的受力性能。文獻(xiàn)[8][9]研究了節(jié)點(diǎn)處的管壁加厚對(duì)節(jié)點(diǎn)的性能影響。這幾種方式不影響結(jié)構(gòu)的整體美觀，但施工難度較大，且無(wú)法對(duì)服役期間的結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。外加固包括墊板加固和環(huán)口板加固兩種。文獻(xiàn)[10]～[12]對(duì)墊板加固的優(yōu)缺點(diǎn)通過(guò)試驗(yàn)與模擬的方式做了比較透徹的分析。國(guó)內(nèi)外對(duì)于前者研究的比較透徹，而對(duì)于后者的研究較少。

環(huán)口板加固方法施工簡(jiǎn)單，加固效果明顯，而且相對(duì)于其他加固方式最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以對(duì)服役期間的結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固[13，14]。本文就對(duì)未加固、加固以及傷損的鋼管進(jìn)行靜力試驗(yàn)，研究環(huán)口板加固的效果和優(yōu)缺點(diǎn)。

1 試驗(yàn)設(shè)置

1.1 試件制作

對(duì)于試驗(yàn)中使用的T型圓鋼管試件，主支管通過(guò)焊接連接在一起。主支管之間位于相貫線處的焊縫采用坡口熔透焊的形式，焊接前將支管進(jìn)行坡口切割，然后焊接在一起，如圖1所示。

環(huán)口板與主管和支管之間的焊縫都采用角焊縫。采用超聲波技術(shù)對(duì) T 節(jié)點(diǎn)試件相貫處的坡口熔透焊縫進(jìn)行了檢測(cè)。試件尺寸圖如圖2所示。

1.2 試件尺寸

試驗(yàn)中對(duì)5個(gè)試件進(jìn)行靜力加載，其中編號(hào)為1號(hào)，3號(hào)，4號(hào)，5號(hào)的為未加固的T型節(jié)點(diǎn)試件，編號(hào)為2號(hào)的為同等尺寸的環(huán)口板加固試件。

為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)試驗(yàn)的試件進(jìn)行了材料性能試驗(yàn)。試件的主管、支管以及環(huán)口板使用的都是同一批次的成品管件，測(cè)試方法依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228—2002金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行，所得數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

表1 材料性能表

1.3 試驗(yàn)加載方式

所有的試件都是在FCS液壓伺服器上進(jìn)行的。在伺服器中間位置，即作動(dòng)頭正下方放置加載支座，對(duì)齊正上方，在加載支座上部使用螺絲固定住圓拖板，把試件放在固定支座上，為了保證試驗(yàn)過(guò)程中試件不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，在試件底部開(kāi)一個(gè)小洞，使用螺絲把試件固定在固定支座上。

加載過(guò)程中，伺服器作動(dòng)頭直接接觸試件的支管端部，對(duì)T型試件進(jìn)行加載。由于固定支座的存在，試件不會(huì)產(chǎn)生整體的軸向位移，因此，忽略支管軸向變形的情況下，T型試件支管端部的位移就可以認(rèn)為是主管的凹陷位移。試驗(yàn)過(guò)程如圖3所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)過(guò)程及現(xiàn)象

為了方便對(duì)比環(huán)口板的作用，對(duì)1號(hào)和2號(hào)直接進(jìn)行完全破壞。為了檢測(cè)環(huán)口板對(duì)服役期間的節(jié)點(diǎn)的加固效果，分別把3號(hào)、4號(hào)和5號(hào)壓至0.53，1.0和1.4倍的Δu，然后焊接與2號(hào)相同尺寸的環(huán)口板，再完全壓壞，對(duì)比2號(hào)的性能即可得出結(jié)論。0.53是試件達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)的位移與極限強(qiáng)度位移之比，Δu通過(guò)1號(hào)的圖形可以得知。試驗(yàn)剛開(kāi)始時(shí)使用荷載控制，加載力度為30 kN/min，觀察曲線，試件進(jìn)入塑性后改用位移控制，加載力度為7 mm/min直至試驗(yàn)結(jié)束。

圖4a)，圖4b)是試件1號(hào)和2號(hào)在軸向荷載作用下的破壞模式。圖中可以看出，未加固試件1號(hào)的破壞是在主支管焊縫處沿著焊趾處的局部凹陷破壞，這是因?yàn)樵嚰Ч艿妮S向剛度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主管的徑向剛度。環(huán)口板加固的試件2號(hào)的破壞則是轉(zhuǎn)移到了環(huán)口板與主管處焊縫為輪廓線的局部凹陷變形，增大了變形的輪廓和凹陷的整體面積。

圖4c)～圖4e)為試件3號(hào)、4號(hào)和5號(hào)加固后的破壞形式，由于試件在加固前先進(jìn)行震損，產(chǎn)生了一定的變形，所以在進(jìn)行加固時(shí)環(huán)口板要進(jìn)行適當(dāng)?shù)那么蛞苑现鞴軓较虻某叽?。試件的變形基本是圍繞在環(huán)口板與主管的焊縫處附近。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

畫出每個(gè)試件的荷載—位移曲線。把每一個(gè)試件的曲線中有下降段時(shí)圖中的最高點(diǎn)作為極限承載力。

圖5a)是T型試件1號(hào)和2號(hào)的荷載—位移曲線，從圖中可以看出2號(hào)的極限承載力要明顯高于1號(hào)，這表明環(huán)口板在T型試件中的加固效果非常好，其中1號(hào)的極限承載力為116 kN，2號(hào)的極限承載力為182 kN，比1號(hào)高出了57%，加固效果明顯。圖5b)為試件3號(hào)、4號(hào)和試件5號(hào)與1號(hào)對(duì)比的荷載—位移曲線，圖形基本重合，表明加工時(shí)比較規(guī)范，試件材料性能基本一致。圖5c)為試件3號(hào)、4號(hào)和5號(hào)在震損后加固的荷載—位移曲線。對(duì)比可知，環(huán)口板對(duì)工作服役期間的T節(jié)點(diǎn)仍然有不錯(cuò)的加固效果。

對(duì)于未加固的試件，其破壞是主支管焊趾處的局部屈服破壞，事實(shí)上就是在焊趾周圍形成了一圈塑性鉸，如圖6a)所示。在節(jié)點(diǎn)達(dá)到極限承載力時(shí)，節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生凹陷破壞，彎矩達(dá)到塑性極限彎矩，并由此產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，形成了塑性鉸。對(duì)于加固的試件，破壞形式則是環(huán)口板與主管處的焊趾為輪廓產(chǎn)生的凹陷變形，形成了相對(duì)于未加固試件更長(zhǎng)的塑性鉸線，如圖6b)所示。

由虛功原理可知，施加在支管上的軸向荷載P在支管上運(yùn)動(dòng)軸向虛位移Δu所做的功等于塑性鉸因轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的功，即：

P·Δu=M·L·φ

(1)

其中，塑性極限彎矩M=0.25·fy·t0，t0為定值；L為塑性鉸的總長(zhǎng)度；φ為塑性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。在發(fā)生相同凹陷破壞時(shí)塑性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度φ相同，此時(shí)環(huán)口板加固的試件因塑性鉸長(zhǎng)度L變長(zhǎng)，所以所能承受的荷載P就更大。本質(zhì)上環(huán)口板加固法是加長(zhǎng)了結(jié)構(gòu)屈服產(chǎn)生的塑性鉸線的長(zhǎng)度進(jìn)而增加承載力的。

對(duì)于試件3號(hào)、4號(hào)，在受到傷損的過(guò)程中由于沒(méi)有達(dá)到極限承載力，并沒(méi)有形成試件1號(hào)那樣閉合的塑性鉸線。在加固后由于環(huán)口板的作用形成了閉合的長(zhǎng)塑性鉸線，提高了承載力。試件5號(hào)在震損階段被壓到1.4倍的Δu，已經(jīng)在焊趾處形成了閉合的塑性鉸線，大小與1號(hào)一樣。卸載加固后雖然會(huì)在環(huán)口板處形成新的塑性鉸，但是由于試件在前一階段已經(jīng)部分進(jìn)入了塑性，形狀發(fā)生了變化，加固后承載力不如試件3號(hào)和4號(hào)提高的那樣明顯。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)5個(gè)T型試件在靜力荷載作用下的試驗(yàn)可以得出以下結(jié)論：

1)環(huán)口板可以改變T型支管的破壞模式，把塑性鉸線轉(zhuǎn)移到更大的范圍內(nèi)，故而有效的提高了T型管節(jié)點(diǎn)的靜承載力。2)T型試件在受到一定程度的震損以后再進(jìn)行環(huán)口板加固，依然可以有效的提高節(jié)點(diǎn)的承載力。試件受到的震損程度越小加固效果越好。

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Abstract: In order to research the consolidation effect of the collar plate, the paper implements the axial pressure of the five T-shaped circular steel pipe trial connection, analyzes the collar plate consolidation, damages, and extreme loading capacity of the steel pipes, and proves by the test result that the collar plate can improve the stiffness of the joints of pipes effectively, improve the loading capacity of the trials, and indicates the collar plate can have better consolidation effect with damaged trials.

Key words: T-shaped circular steel pipe, collar plate, vibration damage, consolidation, static force test

On tests of extreme loading capacity of T-shaped circular steel pipe of collar plate consolidation

Zhang Baofeng1Shao Peng1Shen Chuanrui1Zhang Pingxia2

(1.ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China; 2.ChinaCoalHandanZhongyuanConstructionInspectionConsultancyCo.,Ltd,Qingdao266590,China)

2016-03-13

張寶峰(1990- )，男，在讀碩士； 邵 鵬(1991- )，男，在讀碩士； 申傳瑞(1991- )，男，在讀碩士； 張平霞(1989- )，女

1009-6825(2016)15-0040-03

TU312

A