套箍加強K型鋼管相貫節(jié)點實驗及有限元研究

鄧 婷 (廣州華特建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計事務(wù)所，廣東 廣州 510641)

1 引言

圓鋼管相貫節(jié)點是由主管貫通，支管切成相貫線形狀與主管直接焊接而成的節(jié)點，主支管交匯處形成了空間三維薄壁結(jié)構(gòu)，應(yīng)力分布十分復雜，而要得到節(jié)點承載力的精確理論解析幾乎是不可能的。理論分析的正確與否必須通過試驗來驗證。試驗研究是進行鋼管相貫節(jié)點性能研究的重要、有效且不能缺少的途徑及方法。然而，小尺寸試件的試驗難以模擬實際工程中節(jié)點的焊縫、殘余應(yīng)力、局部缺陷的影響。因此，大比例或足尺試件的試驗研究就更具有意義。

本文對4個鋼管相貫節(jié)點，其中包括1個普通K型節(jié)點、3個套箍加強K型節(jié)點進行了靜力單調(diào)加載的足尺試驗。試驗加載裝置采用50t MTS作動器，材性試驗及節(jié)點承載力試驗均在廣東工業(yè)大學結(jié)構(gòu)試驗室完成。本文將對4個圓鋼管相貫節(jié)點的試驗方案、裝置、過程和試驗現(xiàn)象、結(jié)果進行詳細的介紹，并把試驗結(jié)果與有限元分析結(jié)果進行比較，驗證理論分析的正確性。

2 試驗方案

2.1 試驗?zāi)康?/h3>

本試驗通過對1個鋼管相貫K型節(jié)點、3個套箍加強K型節(jié)點進行靜力單調(diào)加載，達到以下目的：

①確定不同類型的相貫節(jié)點的極限承載力，與套箍加強節(jié)點承載力進行對比；

②研究各種節(jié)點的受力性能，觀察各種節(jié)點的破壞性狀及特征；

③補充試驗數(shù)據(jù)庫的足尺試驗數(shù)據(jù)，推進國內(nèi)對相貫節(jié)點的足尺試驗研究；

④為同類鋼結(jié)構(gòu)工程提供可供參考的設(shè)計依據(jù)。

2.2 節(jié)點試驗設(shè)計

本試驗試件的主管和支管均為圓形截面鋼管，試件共有4組。K1節(jié)點為對比試件，K2、K3、K4均為套箍加強節(jié)點，各參數(shù)詳見下表。

設(shè)計試件為4組，可得到三個對比組：

①試件K1與K2對比組主支管尺寸相同，K2節(jié)點增設(shè)套箍；

②試件K2與K3對比組的不同在于支管直徑不同，K3支管直徑較大，相應(yīng)套箍長度較長；

③試件K3與K4對比組的不同在于支管壁厚不同，K4支管壁厚較大。

2.3 加載方案

試件采用的是足尺試件，為了實現(xiàn)兩支管分別承受軸向拉力與軸向壓力，支管端部采用鉸接連接，鉸接的實現(xiàn)采用銷軸鉸接，底部安裝剪力鋼梁與地面固結(jié)，承擔由MTS傳來的水平剪力，MTS作動器最大加載荷載為500kN。MTS作用頭與主管端板連接傳遞水平剪力，主管頭承擔壓力。MTS反力由結(jié)構(gòu)反力墻提供。

3 試驗結(jié)果與分析

試驗中K1與K2節(jié)點均達到了極限承載力，并觀察到了節(jié)點破壞模式。由于MTS作動器頭可以發(fā)生一定的轉(zhuǎn)動，而試驗裝置設(shè)計缺少了一定的平面外約束，當節(jié)點受力較大時，節(jié)點會發(fā)生平面外轉(zhuǎn)動，K3與K4節(jié)點因發(fā)生平面外扭轉(zhuǎn)均未達到極限承載力，但是根據(jù)試驗的結(jié)果得到了節(jié)點的彈性剛度，可作為有限元模擬準確性的判斷依據(jù)，并為后續(xù)有限元擴大補充分析提供一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖1 K1節(jié)點大樣圖

圖2 套箍加強節(jié)點大樣圖

3.1 K1節(jié)點試驗結(jié)果

K1節(jié)點未設(shè)置套箍，此時節(jié)點的破壞模式為主管在節(jié)點區(qū)域出現(xiàn)明顯的彈塑性變形，受壓支管與主管交接處主管壁發(fā)生壓縮變形，而主管受拉區(qū)域出現(xiàn)鼓曲，為典型的主管屈曲破壞。隨后主支管交接處應(yīng)變片發(fā)生屈服，而支管與主管均未屈服。該節(jié)點能承受最大水平力為266kN。根據(jù)試驗結(jié)果，得到如圖4所示K1節(jié)點力與位移關(guān)系曲線。

3.2 K2節(jié)點試驗結(jié)果

K2的試驗破壞模式與K1之間有明顯的不同，K2節(jié)點主管管壁并未出現(xiàn)明顯的變形，根據(jù)應(yīng)變片測量結(jié)果，主管上應(yīng)變均未屈服，K2支管首先達到屈服，承載能力接近MTS極限荷載，為了保護試驗設(shè)備，在支管屈服后，并未再繼續(xù)增加荷載。最終承載力為471kN，節(jié)點力與位移關(guān)系曲線詳見圖5所示。

圖4 K1節(jié)點力與位移關(guān)系曲線

圖5 K2節(jié)點力與位移關(guān)系曲線

3.3 K3、K4節(jié)點試驗結(jié)果

由于MTS最大承載能力有限，而加載后期出現(xiàn)較大平面外轉(zhuǎn)動，本次試驗僅收錄節(jié)點彈性段的力與位移值。K3、K4的初始節(jié)點剛度曲線如圖6、7所示。

圖6 K3節(jié)點力與位移關(guān)系曲線

圖7 K4節(jié)點力與位移關(guān)系曲線

3.4 剛度對比

對比K1與K2節(jié)點可以得出，增加套箍后節(jié)點剛度增加74%，套箍的存在相當于提高了對支管的約束度，限制了支管與主管交接處的變形。對比K3與K4節(jié)點可以得到在采用相同套箍的情況下，支管的壁厚較大，拉壓管的軸向剛度也越大，相對于K3節(jié)點，K4節(jié)點剛度提高了23%。

3.5 承載力對比

由于試驗過程中僅K1與K2節(jié)點達到了極限狀態(tài)，K1節(jié)點的最大承載力為 266kN，K2節(jié)點的極限承載力為471kN，增設(shè)套箍后，節(jié)點承載力增加了77%。

普通K型相貫節(jié)點的傳力路徑為支管——主支管連接焊縫——主管，主支管連接的重要位置除存在應(yīng)力集中的問題外，節(jié)點處也因焊縫對于主管的削弱較大。增設(shè)套箍后，節(jié)點的傳力路徑為支管——支管與套箍的連接焊縫——套箍——套箍與主管的焊縫——主管，大大緩解了原節(jié)點的應(yīng)力集中問題，明顯減小了連接處對主管截面的削弱。破壞型式由節(jié)點區(qū)域主管破壞轉(zhuǎn)為支管屈曲破壞，符合結(jié)構(gòu)設(shè)計“強節(jié)點弱構(gòu)件”的設(shè)計理念。

4 有限元校核

本文利用大型非線性有限元分析軟件ABAQUS對四組試驗試件進行了數(shù)值分析，由于試驗中K3、K4節(jié)點均未達到極限狀態(tài)，本文將K1與K2節(jié)點有限元分析結(jié)果與試驗結(jié)果作了對比分析，再通過數(shù)值模擬K3及K4的節(jié)點剛度得到其極限承載力以補充試驗數(shù)據(jù)。

圖8 K3節(jié)點有限元分析結(jié)果

圖9 K4節(jié)點有限元分析結(jié)果

通過有限元數(shù)值分析可得，剛度有限元值與剛度實驗值基本接近。此外，根據(jù)有限元數(shù)值分析結(jié)果，K1節(jié)點破壞模式與試驗結(jié)果基本吻合，均是由于連接處主管的屈曲破壞。K2節(jié)點因支管屈服發(fā)生破壞，亦與試驗結(jié)果相吻合。

K3與K4節(jié)點試驗均未達到極限狀態(tài)，通過有限元數(shù)值分析可得到節(jié)點破壞模式，如圖8、圖9所示，K3節(jié)點因支管屈曲發(fā)生破壞，K4節(jié)點因主管受壓端屈曲而發(fā)生破壞。這是因為相較于K3節(jié)點，K4節(jié)點支管壁厚加厚，支管剛度有一定的提高。

5 結(jié)論

根據(jù)上述實驗結(jié)果以及有限元分析結(jié)果可知，普通K型相貫節(jié)點設(shè)置套箍加強后，節(jié)點區(qū)受力有了明顯變化：

①增大了主管的受荷面積以及主管的壁厚，明顯減小主管的局部變形；

②荷載的傳遞途徑從支管——主管變?yōu)橹Ч堋坠俊鞴?，改善了主管的受力性能，減少了節(jié)點應(yīng)力集中現(xiàn)象；

③節(jié)點的破壞形式由節(jié)點區(qū)轉(zhuǎn)移到支管或主管受壓區(qū)；

④設(shè)置適當尺寸的套箍能夠有效提高K型相貫節(jié)點的承載力，同時明顯增加節(jié)點支管的剛度。