內(nèi)置加勁環(huán)T型管節(jié)點抗沖擊承載力分析

高 康,曲 慧,叢靜嵐

(煙臺大學(xué)土木工程學(xué)院,山東 煙臺 264005)

鋼管結(jié)構(gòu)憑借其輕質(zhì)高強、材質(zhì)均勻、塑性韌性好等優(yōu)點在各類建筑工程中得到了廣泛的應(yīng)用,例如飛機場,火車站,海洋鉆井平臺等．當其遭受到外來物體撞擊時,會因管節(jié)點失效引起傳力路徑發(fā)生改變,因此研究加強后管節(jié)點的抗沖擊性能是目前研究的熱點．在沖擊荷載作用下,T型管節(jié)點的抗沖擊承載力是評價管結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的一個重要指標．陳棟芬[1]對T型鋼管進行了極限承載力分析,根據(jù)試驗數(shù)據(jù)修正了極限承載力計算公式．ELLINAS等[2]將鋼管兩端固支進行跨中沖擊試驗,根據(jù)試驗數(shù)據(jù)推出局部凹陷和整體彎曲的經(jīng)驗公式．YOUSUF等[3]以方型鋼管為研究對象,對鋼管混凝土和鋼管進行了靜力加載和沖擊荷載作用下的有限元分析和試驗研究,通過分析動力和靜力下的荷載位移曲線,得到了一種用加權(quán)平均數(shù)評定構(gòu)件抗沖擊承載力的方法．陳高哲等[4]進行了預(yù)加軸力下加強冷彎T型鋼管節(jié)點的抗沖擊性能試驗,通過分析管節(jié)點在沖擊荷載作用下的破壞模態(tài)、沖擊力、位移時程曲線,獲得了加強節(jié)點在沖擊荷載作用下的工作機理．章琪等[5]采用有限元分析法,進行了不同類型的鋼管混凝土跨中部位在沖擊荷載作用下的仿真模擬,分析了各構(gòu)件的抗沖擊性能差異和破壞模式,得到增大鋼管厚度可以提高抗沖擊性能的結(jié)論．曲慧等[6-9]和陳凡[10]、王鵬[11]對T型管節(jié)點進行了試驗研究和有限元模擬,分析了沖擊力位移時程曲線,揭示了T型管節(jié)點抗沖擊性能機理．曲慧采用有限元方法對設(shè)置加勁環(huán)和主管跨中局部加厚的T型管節(jié)點進行模擬,以研究加強措施對T型管節(jié)點抗沖擊荷載產(chǎn)生的影響,研究結(jié)果表明:2種措施對T型管節(jié)點的抗沖擊性能都起到了很好的加強效果．

目前,以上研究主要集中在對T型鋼管節(jié)點的沖擊力和支座反力方面上,研究中多數(shù)忽略了沖擊荷載作用下T型鋼管節(jié)點自身產(chǎn)生的慣性力．事實上,在沖擊過程中,特別是沖擊初始階段,慣性力的影響是不可忽略的．因此,本文采用有限元模擬的方法,建立內(nèi)置加勁環(huán)T型鋼管節(jié)點有限元分析模型,通過分析主管跨中變形、沖擊力、慣性力、支座反力時程曲線,揭示了T型鋼管節(jié)點在沖擊荷載作用下的工作機理．

1 有限元模型

1.1 典型分析模型的選取

為了比較加勁環(huán)厚度和寬度對T型管節(jié)點抗沖擊承載力的影響,依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB50017—2003)》[12]和管節(jié)點工程常用參數(shù)范圍,根據(jù)李越[13]在T型管節(jié)點焊接殘余應(yīng)力分析研究中的模型,建立如圖1所示內(nèi)置加勁環(huán)節(jié)點．構(gòu)件的幾何參數(shù)如表1,模型編號中的字母RT代表內(nèi)置加勁環(huán)T型管節(jié)點,D、T、L分別代表主管的直徑、管壁厚度和長度;d、tz、l分別代表支管的直徑、管壁厚度和長度;Rw和Rr分別代表加勁環(huán)的厚度和寬度．

表1 T型管節(jié)點分析模型參數(shù)

圖1 T型管節(jié)點

1.2 材料特性

模擬過程中,取低速沖擊速度8 m/s,選低應(yīng)變率鋼,因此符合Cowper-Symonds[14]模型,如式(1):

(1)

1.3 邊界條件、界面處理、施加荷載

圖2(a)給出了沖擊過程中T型管節(jié)點的受力簡圖,圖2(b)為有限元模型圖．圖中,主管左端U1、U2、U3、UR1、UR2、UR3 6個自由度完全被約束,用來模擬固定支座;主管右端放開U3,即沿主管軸線方向可以發(fā)生位移,用來模擬滑動支座．在右端設(shè)置彈簧,主管右截面和彈簧單元耦合,彈簧右端邊界條件除水平方向位移外其他自由度均被約束．支管為自由端．

在模擬過程中,端板與鋼管采用的連接方式為tie連接,沖擊錘與支管端板的接觸方式為通用接觸,接觸面的關(guān)系包括切向和法向2個屬性．其中法向關(guān)系為硬接觸,垂直接觸面相互作用時產(chǎn)生的壓力可以完全傳遞,當接觸面分開時,產(chǎn)生的壓力又完全消失;切向關(guān)系運用庫倫摩擦模型模擬接觸面之間產(chǎn)生的滑動摩擦,摩擦系數(shù)設(shè)置為0.3．另外,為了得到主管局部凹陷和位移受力情況,在進行網(wǎng)格劃分時在主管跨中節(jié)點域范圍內(nèi)進行了網(wǎng)格加密處理．荷載的施加分為2個階段．第一階段,對主管施加軸力．利用有限元Abaqus的standard模塊模擬T型管節(jié)點受軸力作用下的狀態(tài)．軸力的施加是通過改變彈簧的壓縮模量來實現(xiàn)的．第二階段,對T型管節(jié)點施加動力荷載．將靜力模型導(dǎo)入動力模型中并進行顯示分析,同時為導(dǎo)入模型的錘頭賦予速度和重力,以此研究重力、軸力、沖擊力三者共同作用下的抗沖擊性能．

圖2 T型管節(jié)點受力和T節(jié)點模型

2 抗沖擊性能分析

2.1 破壞模式

圖3給出了3個內(nèi)置加勁環(huán)T型管節(jié)點在相同的沖擊荷載作用下最終時刻模型的整體變形模態(tài)和橫剖面變形圖．從3個節(jié)點的破壞形態(tài)來看,T型管節(jié)點的變形主要分為2部分:第一部分為沖擊荷載作用下T節(jié)點的整體變形;第二部分為主管與支管相貫處發(fā)生的局部凹陷以及內(nèi)置加勁環(huán)的變形．

T型管節(jié)點發(fā)生整體變形時,沖擊荷載首先使撞擊處出現(xiàn)局部凹陷,一部分沖擊能量以應(yīng)力波的方式向兩端擴展,使主管發(fā)生整體彎曲．T型管節(jié)點發(fā)生局部凹陷時,支管端板承受強烈撞擊,消耗大部分沖擊能量,使主管和支管相貫處產(chǎn)生較大凹陷變形,而撞擊區(qū)域以外雖然也發(fā)生變形,但明顯弱于跨中撞擊部位．沖擊錘重量和速度的大小均可決定主管跨中沖擊部位的破壞和凹陷程度．另外,構(gòu)件承受沖擊方向的主管厚度和加勁環(huán)失效都容易造成沖切破壞和局部凹陷[5]．通過比較圖3(a)、(b)、(c)中各節(jié)點的凹陷和變形情況,可以得出加勁環(huán)厚度最小節(jié)點RT-2中,加勁環(huán)的變形和相貫處的凹陷是3個節(jié)點中最大的．由此可見,加勁環(huán)的厚度是影響T節(jié)點整體變形和局部凹陷的一個重要因素．

2.2 沖擊力、支座反力、慣性力、跨中位移時程曲線

圖4給出的是沖擊力、支座反力、慣性力和跨中位移的時程曲線,其中,支座反力為2個支座處所測反力之和,各節(jié)點曲線趨勢形狀都基本相同．

圖3 T型管節(jié)點的破壞模態(tài)

2.2.1 沖擊力分析 圖4(a)—(c)中各模型的沖擊力時程曲線形狀都基本相同,即:迅速達到?jīng)_擊力峰值,然后又快速下降出現(xiàn)低谷,經(jīng)過一系列震蕩恢復(fù)平穩(wěn),最后降到零．峰值數(shù)值如圖5．在初始階段,T節(jié)點的沖擊力時程曲線出現(xiàn)了一個瞬時峰值,在此時間段內(nèi)曲線呈直線上升,從跨中位移曲線(圖4(d))可以看出此時主管發(fā)生彈性變形．峰值過后,曲線開始急速下降,經(jīng)過1～2 ms,沖擊力達到谷值,如圖4(a)—(c)．在此時間段內(nèi)主管發(fā)生凹陷,剛度開始減?。S后在7～9 ms之間曲線出現(xiàn)了很明顯的震蕩,這是由于因為錘頭的反彈、慣性效應(yīng)和應(yīng)力波在錘頭之間來回彈射造成的[15]．T型管節(jié)點由于受到?jīng)_擊荷載作用產(chǎn)生慣性力,并在沖擊力峰值時刻,達到最大值,隨后慣性力從最大值降到零后,出現(xiàn)一個反向的慣性力峰值,然后波動式地逐漸衰減到零,如圖4(a)—(c)所示．在沖擊力峰值時刻,應(yīng)力波還未傳遞到支座處,并未產(chǎn)生支座反力來平衡沖擊力．T型管節(jié)點為了保持動態(tài)平衡,自身產(chǎn)生慣性力來平衡沖擊力,因此從圖4(a)—(c)可以看出,沖擊力峰值越大,產(chǎn)生的慣性力峰值越大．節(jié)點RT-3的沖擊力時程曲線在2.63 ms時,達到峰值331 kN．節(jié)點RT-2的沖擊力的時程曲線在2.4 ms時,達到峰值221 kN．節(jié)點RT-1的沖擊力時程曲線在2.63 ms時,達到峰值280 kN．經(jīng)過比較得知,在相同的沖擊速度下,RT-3的沖擊力峰值要大于RT-1峰值110 kN,RT-3主管跨中位移要小于RT-2 約為13 mm．RT-1的沖擊力峰值要大于RT-2峰值60 kN,RT-1主管跨中位移要小于RT-2 約為30 mm．而在沖擊試驗中,沖擊力的峰值與波形的持續(xù)時間受沖擊點接觸剛度有關(guān),受沖擊點接觸剛度越大,所產(chǎn)生的沖擊峰值也越大,波形的持續(xù)時間也就越短,變形也就越小[15]．因此可以得知:沖擊力峰值越大,節(jié)點的剛度越大．節(jié)點剛度對結(jié)構(gòu)的變形、內(nèi)力以結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性都有一定的影響[16]．BOUWKAMP[17]利用三維有限元分析法,進行了節(jié)點變形性能對海洋塔架結(jié)構(gòu)的影響效應(yīng)研究,研究結(jié)果表明:節(jié)點剛度對于高于110 m的塔架的影響十分顯著．HOLMAS[18]也利用數(shù)值分析方法進行了研究,研究結(jié)果表明:海洋工程結(jié)構(gòu)的整體性能受節(jié)點剛度影響很大．通過分析沖擊力峰值和跨中位移,可以得到不同內(nèi)置加勁環(huán)參數(shù)對節(jié)點剛度影響很大,進而影響結(jié)構(gòu)的抗沖擊承載力性能．從圖4可以看出節(jié)點RT-3的沖擊力峰值最大,節(jié)點的跨中位移較小,所以剛度最大,所以節(jié)點RT-3抗沖擊承載力性能較好．

圖4 沖擊力、慣性力、支座反力、跨中位移時程曲線

2.2.2 支座反力分析 從圖4(a)—(c)中可以看出:支座反力的時程曲線相對于沖擊力是滯后的,首先出現(xiàn)一個瞬時負值,隨后又迅速上升,達到峰值,過后開始一系列震蕩,最后恢復(fù)到平穩(wěn)狀態(tài)直至支座反力合力衰減到零．在沖擊荷載作用下,錘頭與端板接觸的一瞬間產(chǎn)生很強的沖擊能量,輸出的能量以應(yīng)力波方式開始向兩端支座傳遞．在傳遞過程中由于應(yīng)力波互相干涉和疊加,節(jié)點的變形和外界對波產(chǎn)生的阻尼作用都會削減應(yīng)力波的傳遞,所以當沖擊力達到峰值時,應(yīng)力波還并沒有傳遞到支座,所以此時的支座并沒有產(chǎn)生支座反力．但是在沖擊力峰值時刻,支座反力時程曲線出現(xiàn)一個較小的負值,這是由于T型管節(jié)點受到錘頭沖擊時,因為慣性效應(yīng),支座兩端具有向上運動的趨勢,對主管施加的預(yù)壓力得到釋放,支座反力出現(xiàn)負值,隨后支座反力快速增大至峰值[19]．

應(yīng)力波通過梁傳遞到支座,并且產(chǎn)生拉力．隨著應(yīng)力波的持續(xù)的傳遞,沖擊力點處的沖擊能量開始削弱,應(yīng)力波向支座兩端傳遞的能量隨著時間開始累積,當能量累積到最大值時,支座反力合力達到峰值．支座反力達到峰值時刻,由于沖擊點處的能量減弱,沖擊力減小,這時支座反力開始使節(jié)點失去平衡．為了保持節(jié)點平衡,慣性力從最大值降到零,隨后出現(xiàn)的反向慣性力峰值和沖擊力共同平衡支座反力．在沖擊力平穩(wěn)階段,支座反力和沖擊力平穩(wěn)式衰減,并保持相對平衡,T型管節(jié)點處于相對靜止狀態(tài),因此慣性力消失．

圖5 沖擊力峰值與波的持續(xù)時間

2.2.3 抗沖擊承載力分析 通過沖擊力時程曲線可以看出因為加勁環(huán)的參數(shù)不同,導(dǎo)致節(jié)點的抗沖擊的性能和時程曲線也出現(xiàn)很大差異．首先,加勁環(huán)寬度相同的情況下,節(jié)點RT-3加勁環(huán)的厚度比節(jié)點RT-1增加了2 mm,沖擊力時程曲線的峰值增加51 kN,平均每個單位厚度使峰值增加25.5 kN．將節(jié)點RT-2和節(jié)點RT-3進行比較分析,在加勁環(huán)厚度相同的情況下,節(jié)點RT-3加勁環(huán)寬度比節(jié)點RT-2增加了15 mm,沖擊力時程曲線峰值增加110 kN,平均每個單位厚度使峰值增加7.33 kN．由此可見,加勁環(huán)對T型管節(jié)點抗沖擊承載力的提高隨厚度增大而增大,隨寬度增大而增大．同時,還可以得出:加勁環(huán)的厚度對提升節(jié)點承載力的能力要明顯強于寬度．

加勁環(huán)的設(shè)置可以增加節(jié)點的剛度,當受到?jīng)_擊荷載時可以明顯減少沖擊過程中節(jié)點的局部凹陷和整體變形,因此在T型節(jié)點鞍點兩端設(shè)置加勁環(huán)對提高節(jié)點承載力是有效的．通過沖擊力、支座反力時程曲線分析也可以得到:沖擊力峰值和波形持續(xù)時間與節(jié)點的剛度有關(guān)．峰值越大,峰值下降到低谷用的時間越短,剛度越大,節(jié)點的抗沖擊承載力性能越好．支座反力的產(chǎn)生是由應(yīng)力波傳遞沖擊能量到達兩端支座,傳遞的時間持續(xù)增加,支座處累積的能量越多,最后形成峰值．支座反力的峰值越大,兩端支座處累積的沖擊能便越多,間接說明節(jié)點跨中部位受到的沖擊越大,在節(jié)點變形小的情況下,便可得出節(jié)點的抗沖擊承載力性能越好．

3 結(jié) 論

通過以上分析,可以得到以下結(jié)論:

(1)在T型管節(jié)點鞍點兩端設(shè)置加勁環(huán)可以提高節(jié)點的剛度和整體抗沖擊承載力．在設(shè)置加勁環(huán)時,加勁環(huán)的厚度對提高節(jié)點抗沖擊承載力的效果要強于寬度,因此可適當?shù)卦黾蛹觿怒h(huán)的厚度或者減小主管的直徑,都可達到增加整體剛度的效果．

(2)跨中位移,支座反力峰值,沖擊力峰值和波形持續(xù)時間都可以反映T型管節(jié)點的剛度大小．峰值越大,波形持續(xù)時間越短,主管跨中位移越小,剛度越大,節(jié)點的抗沖擊承載力越大．