薄壁鋼管混凝土節(jié)點板節(jié)點剪切破壞研究

黃素清,陳　駒,徐　菲

HUANG Suqing，CHEN Ju，XU Fei

(1.浙江建設職業(yè)技術(shù)學院,浙江 杭州 311231；2.浙江大學建筑工程學院,浙江 杭州 310058)

節(jié)點板連接節(jié)點是鋼管結(jié)構(gòu)中常見的節(jié)點形式,具有節(jié)點板可直接焊接在主HH置法蘭等優(yōu)點,在鋼管結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應用,尤其針對主要受風荷載作用的輸電桿塔。隨著鋼管混凝土主管在輸電桿塔中的推廣應用,鋼管混凝土節(jié)點板節(jié)點也出現(xiàn)在工程中,例如蘇通長江大跨越輸電塔結(jié)構(gòu)將采用節(jié)點板連接節(jié)點。目前，國內(nèi)外只有針對純鋼管節(jié)點板節(jié)點設計的相應指南和規(guī)范,如AISC[1],EC3[2],CIDECT[3],日本鐵塔協(xié)會標準[4],架空輸電線路鋼管塔設計技術(shù)規(guī)定[5],但尚無針對鋼管混凝土節(jié)點板節(jié)點設計的規(guī)范。

隨著鋼管混凝土在國內(nèi)外的廣泛應用,關(guān)于鋼管混凝土節(jié)點的研究也吸引了國內(nèi)外的眾多研究者。目前鋼管混凝土節(jié)點的相關(guān)研究大致可分為兩類,一是高層建筑中的鋼管混凝土與鋼梁/混凝土梁的節(jié)點研究：我國矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[6]將內(nèi)隔板式節(jié)點和外隔板式節(jié)點列為方鋼管混凝土柱與鋼梁連接節(jié)點的推薦型式,余勇[7],周天華[8],聶建國等[9-10],苗紀奎等[11],宗周紅等[12],王文達等[13],霍靜思等[14]均展開了對其靜力和抗震性能的研究并提出設計理論，開展了半剛性薄壁鋼管混凝土端板連接節(jié)點研究；薛建陽等[16]開展了矩形鋼管混凝土異形柱-鋼梁框架節(jié)點研究；蔣麗忠等[17]開展了鋼管混凝土格構(gòu)柱-組合隨著鋼管混凝土結(jié)構(gòu)進一步的擴展應用；新的節(jié)點型式不斷出現(xiàn),如王靜峰等[15]箱梁節(jié)點研究。國際上Kato et al.[18],Azizinamini[19],Alostaz & Schneider[20]Wu et al.[21]開展了多種鋼管混凝土與鋼梁連接節(jié)點的研究。二是 鋼管混凝土橋梁/構(gòu)架等結(jié)構(gòu)中的管接節(jié)點,劉永健等[22]開展了對于矩形鋼管混凝土相貫節(jié)點的研究；陳寶春等[23],童樂為等[24]、陳譽等[25]、李新華等[26]和陳駒等[27]開展了圓鋼管混凝土相貫節(jié)點的研究；陳以一等[28]和童樂為等[29]基于廣州新電視塔開展了梁-立柱-支撐-牛腿焊接節(jié)點研究；韓小雷等[30]和方小丹等[31]基于廣州西塔開展了鋼管混凝土空間相貫節(jié)點的研究；李斌等[32]研究了應用于風電塔架的鋼管混凝土節(jié)點。趙才其等[33]探索了中厚壁、大直徑鋼管混凝土節(jié)點可能存在的層狀撕裂問題。曹寶珠等[34]還研究了連接板插入主管的鋼管混凝土節(jié)點受壓性能。國際上Packer[35]提出對于矩形鋼管混凝土相貫節(jié)點的設計方法,Yoshinaga[36]開展了K型鋼管混凝土相貫節(jié)點的研究,Feng&Young[37]開展了不銹鋼矩形鋼管混凝土相貫節(jié)點的研究。綜上所述,由于強節(jié)點弱梁的設計理念,對于高層建筑中的鋼管混凝土與鋼梁的節(jié)點性能主要考慮其抗震性能,而管結(jié)構(gòu)中的相貫節(jié)點則主要考慮其拉壓彎的性能,特殊結(jié)構(gòu)中的節(jié)點一般是為其復雜的工程個案的設計提供參考。對于節(jié)點板直接焊接在主管壁上的鋼管混凝土節(jié)點板節(jié)點則未見相關(guān)研究。

1　試驗研究

試驗設計節(jié)點板節(jié)點軸心受拉試件3個。所有試驗節(jié)點主管與支管連接方式均為十字插板連接,節(jié)點板高度為190mm。各節(jié)點試件實測尺寸和試件編號見表1。試件編號中第一個字母表示節(jié)點類型,其后的符號“-”后的數(shù)字依次表示主管直徑、厚度、節(jié)點板長度和厚度,字母“A”(Axial)表示軸心軸拉節(jié)點,字母“R”表示重復試件,尺寸的單位均為mm。主管尺寸和節(jié)點板尺寸分別為300mm×4mm和500mm×12mm。節(jié)點示意圖見圖1。試驗采用量程為1000kN的MTS加載設備加載,最大拉伸荷載為980kN。試件加載布置圖見圖2。

表1　試件實測尺寸和材料標號

表2　試件鋼材力學性能

圖1　軸心受拉節(jié)點幾何外形及參數(shù)

T型節(jié)點軸心受拉試件T-300-4-500-12A和T-300-4-500-12AR最終破壞模式均為主管壁沖剪破壞,見圖3。試件T-300-6-500-12A屬于受拉支管屈服破壞。沖剪破壞的節(jié)點試件在彈性階段時,焊縫周圍主管管壁未出現(xiàn)明顯變形,當加載進入彈塑性階段后,節(jié)點主管管壁變形迅速增加,當荷載達到85%極限承載力時，焊縫兩端開始出現(xiàn)裂紋,但是此時承載力仍可以繼續(xù)增加。隨著荷載繼續(xù)增加,裂紋在管壁厚度方向逐漸貫通,焊縫兩端出現(xiàn)主管壁沖剪破壞,此時承載力約為98%極限承載力。隨著荷載繼續(xù)增加，焊趾附近主管管壁變形發(fā)展迅速,很短時間內(nèi)節(jié)點沿焊縫通長發(fā)生沖剪破壞,承載力迅速下降,破壞呈現(xiàn)突然型。表3為軸拉荷載作用下鋼管混凝土板接節(jié)點承載力及破壞模式,隨著主管管壁增厚和節(jié)點板長度加大,節(jié)點承載力均有不同程度增加。

圖2　節(jié)點加載裝置

圖3　節(jié)點破壞模式

2　有限元模擬

鋼管混凝土板接節(jié)點有限元模型采用ABAQUS/Explicit分析模塊進行分析。模型中考慮了混凝土材料本構(gòu),鋼材塑性流動準則、屈服準則、塑性強化準則、失效準則；考慮了鋼材與混凝土之間的接觸設置,模型單元類型及質(zhì)量放大因子的影響。鋼材本構(gòu)模型采用原位試件單軸拉伸試驗真實應力應變曲線。節(jié)點通過簡化,加載面定義在節(jié)點板上,面積為節(jié)點板螺栓孔連線與板上邊緣所圍成的面積。平面內(nèi)彎矩荷載作用下的板接節(jié)點忽略其螺栓連接影響,將節(jié)點支管簡化為“剛臂”,與節(jié)點板通過“Tie”連接,接觸面為節(jié)點板螺栓孔連線與板上邊緣所圍成的面,節(jié)點有限元模型力臂長度與實際試件相同。有限元模型按照節(jié)點實測尺寸建立,模型網(wǎng)格劃分采用分區(qū)塊劃分方法,密集網(wǎng)格劃分區(qū)域網(wǎng)格邊長約為3mm,稀疏網(wǎng)格劃分區(qū)域網(wǎng)格邊長為25mm。內(nèi)部混凝土網(wǎng)格邊長約為15mm。

(1)

圖4　MMC模型空間斷裂失效面

鋼材屈服面采用為Von Mises屈服面,則式(1)可以簡化為：

(2)

η為三軸應力比,可表示為：

(3)

(4)

式中:σm為靜水壓力；

ξ為正態(tài)化的第三應力不變量；

θ為Lode角。

3　模擬結(jié)果驗證

通過有限元分析,得到節(jié)點破壞模式為焊趾附近主管壁沖剪破壞。節(jié)點有限元模型的破壞模式和裂紋發(fā)展均與試驗節(jié)點一致,說明模型能夠準確地反映軸拉荷載作用下板接節(jié)點的不同失效模式、失效起始點位置及裂紋開展路徑。見圖5。

圖5　節(jié)點有限元模型破壞模式與試驗節(jié)點破壞模式對比

試件編號Pu A-Test/kNPu-FEA/kNPu-FEA/ PuA-TestT-300-4-500-12A843.7834.20.99T-300-4-500-12AR766.3834.21.09

節(jié)點有限元模型計算極限承載力見表5,節(jié)點有限元模型計算承載力與試驗節(jié)點承載力之比誤差在10%以內(nèi)。模型計算結(jié)果略大于試驗結(jié)果,其誤差來源于：1)實際試驗與模型之間的簡化如加載面的簡化處理和忽略螺栓連接對承載力的影響等；2)鋼管與混凝土之間接觸作用的簡化；3)模型邊界條件的理想化等?？傮w而言,建立的有限元模型能夠相對準確地預測鋼管混凝土板接節(jié)點軸拉承載力。

4　結(jié)　語

通過開展軸拉荷載作用下薄壁圓鋼管混凝土十字插板連接節(jié)點力學性能試驗和有限元數(shù)值模擬研究,分析節(jié)點的破壞模式、破壞機理和極限承載力等,得出以下結(jié)論：

1) 對鋼管混凝土T型十字插板節(jié)點進行軸心受拉試驗研究,試驗結(jié)果顯示T-300-4-500-12A、T-300-4-500-12AR節(jié)點為主管管壁沖剪破壞,T-300-6-500-12A節(jié)點為支管屈服破壞。不同主管壁厚的T型節(jié)點軸拉試驗結(jié)果表明,沖剪破壞承載力隨主管壁厚增加分別顯著提高。

2) 對鋼管混凝土板接節(jié)點建立ABAQUS/Explicit有限元分析模型,實現(xiàn)了各荷載作用下鋼管混凝土板接節(jié)點主管管壁初始斷裂位置、裂紋擴展及承載力的預測。將有限元模型計算結(jié)果與試驗研究結(jié)果對比,驗證了該模型的有效性。