袁 俊 屈訟昭 王虎長 衛(wèi)思彤 孫 清

(1.中國電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司, 西安 710075; 2.河南城建學(xué)院土木與交通工程學(xué)院, 河南平頂山 467036; 3.西安交通大學(xué)人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院, 西安 710049)

管板節(jié)點(diǎn)在強(qiáng)風(fēng)作用下,加勁板與主管管壁區(qū)域會(huì)伴隨發(fā)生局部屈曲[1-3]。文獻(xiàn)[4-6]通過對無加勁平面管板節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),在單調(diào)荷載作用下,主管管壁與節(jié)點(diǎn)板連接的端部發(fā)生局部屈曲;為了提高管板節(jié)點(diǎn)的承載性能,通常在上述主管發(fā)生局部屈曲的位置增設(shè)兩道加勁板,文獻(xiàn)[1,7-8]通過對該類加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究,結(jié)果表明,加勁板對管板節(jié)點(diǎn)承載力提高效果顯著。除上述K型節(jié)點(diǎn)外,對T型和X型平面管板節(jié)點(diǎn)[9-12]、X型和十字型插板平面管板節(jié)點(diǎn)[13-16]也有相關(guān)研究,Li等對帶有1/4加勁板的KT型平面管板節(jié)點(diǎn)和帶全環(huán)加勁板的T型平面管板節(jié)點(diǎn)靜載狀態(tài)下的受力性能進(jìn)行試驗(yàn)研究和數(shù)值分析[17-18],充分明確了節(jié)點(diǎn)的失效模式以及對承載力影響顯著的設(shè)計(jì)參數(shù)。由于加勁板面內(nèi)剛度較主管管壁大很多,節(jié)點(diǎn)板上的荷載會(huì)在加勁板所在區(qū)域集中,節(jié)點(diǎn)最終在該區(qū)域發(fā)生破壞[7-8,17-18],失效模式表現(xiàn)為兩種:主管管壁局部屈曲和加勁板屈曲,失效發(fā)生部位主要取決于兩者的剛度關(guān)系。為此,以環(huán)板加勁管板節(jié)點(diǎn)為研究對象,通過試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬,分析節(jié)點(diǎn)在徑向荷載作用下的受力性能和失效模式,研究環(huán)形加勁板在徑向力作用下的剛度變化規(guī)律,提出節(jié)點(diǎn)的失效判斷準(zhǔn)則。

1 試驗(yàn)研究

材性試驗(yàn)所用的試件材料為我國現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1591—2018《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》[19]的Q235和Q345鋼材,名義屈服強(qiáng)度分別為235 MPa和345 MPa。試件厚度與試驗(yàn)構(gòu)件一致,且要求與試驗(yàn)構(gòu)件取自同一批鋼板,每批鋼材最少制作3個(gè)試驗(yàn)試件。試驗(yàn)加載符合GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》[20]的要求。材性試驗(yàn)裝置見圖1,破壞后試件見圖2,試件材料特性見表1。

表1 材性試驗(yàn)結(jié)果

圖1 材性試驗(yàn)裝置

圖2 拉伸試件

為了研究環(huán)形加勁板所在區(qū)域在外部荷載作用下的失效模式,并明確失效準(zhǔn)則,現(xiàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)試件如圖3所示,其中徑向荷載通過節(jié)點(diǎn)板直接加載至加勁環(huán)板上。試件的設(shè)計(jì)尺寸及加載信息如表2所示,相關(guān)參數(shù)意義如圖4所示。桿件編號HT194×6-80×6中H為環(huán)板加勁節(jié)點(diǎn),T為拉,N為壓,194為主管直徑(D值),6為主管壁厚(tm值),80為環(huán)板高度(R值),6為環(huán)板厚度(tr值)。

表2 節(jié)點(diǎn)試件信息

a—正視圖; b—左視圖。

圖4 節(jié)點(diǎn)參數(shù)示意

圖5給出了試驗(yàn)采用的加載裝置,該裝置可以進(jìn)行多向加載,并且調(diào)整靈活。在本試驗(yàn)中,節(jié)點(diǎn)主材一側(cè)采用螺栓與加載架固接,主材的另外一側(cè)施加大噸位的橫向荷載,自制反力框架在水平方向自平衡并具有足夠剛度,可保證試件在加載過程中不會(huì)因發(fā)生較大變形而對試件造成過大的次應(yīng)力。對輔材的加載采用拉壓千斤頂相互獨(dú)立的協(xié)調(diào)工作,以保證拉壓作用力沿輔材的軸向。

圖5 加載裝置示意

在試驗(yàn)中通過使用液壓千斤頂實(shí)現(xiàn)對節(jié)點(diǎn)主材和各個(gè)輔材的加載。整個(gè)加載過程包括:第一步,對主材及輔材進(jìn)行預(yù)加載,以抵消試件和加載裝置之間的空隙,同時(shí)也對測試儀器進(jìn)行檢查,觀察采集的數(shù)據(jù)結(jié)果是否完備,同時(shí)消除螺栓間隙;第二步,按每級10%設(shè)計(jì)荷載對主材均勻加載至100%設(shè)計(jì)荷載;第三步,維持主材荷載不變,逐步對兩輔材施加等比例荷載,直至節(jié)點(diǎn)發(fā)生破壞。在試驗(yàn)中,為監(jiān)測環(huán)板節(jié)點(diǎn)的變形情況,在主材的上、下表面各布置一個(gè)位移計(jì),以監(jiān)測在整個(gè)加載過程中主管的徑向變形。在每級加載后,均持荷3 min,采集測量的荷載、位移等數(shù)據(jù),并對每個(gè)節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)進(jìn)行拍照,實(shí)時(shí)觀察與判定節(jié)點(diǎn)是否破壞。

圖6給出了各試件加載過程中環(huán)板徑向位移與徑向荷載的試驗(yàn)結(jié)果曲線。可見:在節(jié)點(diǎn)加載的前期階段,加勁環(huán)板節(jié)點(diǎn)在拉-拉或壓-壓荷載作用下的荷載-位移曲線基本一致;隨著荷載的增大,受壓狀態(tài)下的加勁環(huán)板由于發(fā)生失穩(wěn),導(dǎo)致其承載力明顯小于受拉狀態(tài)下對應(yīng)值。失效模式如圖7和圖8所示,對于受拉試件,在節(jié)點(diǎn)板與加勁環(huán)板連接處最終發(fā)生斷裂破壞,如圖7a所示,與之相差90°夾角位置處,加勁環(huán)板發(fā)生局部屈曲,如圖7b所示。對于受壓試件,在徑向壓力作用下,最終發(fā)生壓屈失效,如圖8所示。

圖6 節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)荷載-位移曲線

a—斷裂破壞; b—局部壓屈。

圖8 受壓試件失效模式

2 數(shù)值模擬及失效準(zhǔn)則

2.1 數(shù)值模擬

采用通用有限元軟件ANSYS對環(huán)形加勁管板節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值模擬(圖9)和參數(shù)分析。考慮到環(huán)形加勁節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)特征,采用8結(jié)點(diǎn)的Shell 281殼單元進(jìn)行節(jié)點(diǎn)建模;通過單元網(wǎng)格尺寸收斂性分析,最終將有限元模型的網(wǎng)格尺寸設(shè)定為0.005 m,在確保計(jì)算精度的同時(shí),提高計(jì)算效率;材料屬性設(shè)置與試驗(yàn)保持一致,相關(guān)參數(shù)見表1,鋼材本構(gòu)采用理想彈塑性模型;通過自由度耦合的方式,對主材和輔材端部施加約束或者荷載,其中主材一端設(shè)為固定端,另一端設(shè)為定向支座,允許沿主材軸向的變形,兩個(gè)輔材的端部均設(shè)置為定向支座,允許沿輔材軸向的變形。加載方式及大小與試驗(yàn)保持一致。通過將有限元計(jì)算得到的荷載-位移曲線與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比(圖6),驗(yàn)證了有限元模型的正確性。

圖9 有限元模型

為了擴(kuò)充環(huán)形加勁板節(jié)點(diǎn)的尺寸范圍,對其進(jìn)行參數(shù)分析。其中,包含主管徑厚比D/tm=30～56、環(huán)板高厚比R/tr=10～34,共計(jì)126個(gè)不同的組合形式,以充分論證節(jié)點(diǎn)的受力特性以及失效模式。

計(jì)算結(jié)果表明(圖10a):隨著加勁板高厚比(R/tr)的增大,節(jié)點(diǎn)的承載力提高顯著,節(jié)點(diǎn)的初始剛度也越大,在荷載加載前期其承載力越大;進(jìn)入加載后期,不同加勁板高厚比的節(jié)點(diǎn)荷載-位移曲線基本平行,表明各節(jié)點(diǎn)剛度趨于一致。

a—加勁環(huán)板高厚比影響; b—主管徑厚比影響。

如圖10b所示:在荷載加載的前期,節(jié)點(diǎn)承載力隨著主管徑厚比(D/tm)的增大而略有減小;荷載加載后期,節(jié)點(diǎn)承載力隨著主管徑厚比的增大而略有增大;主管徑厚比的增大,會(huì)降低節(jié)點(diǎn)的初始剛度,但會(huì)提高節(jié)點(diǎn)進(jìn)入塑性階段的剛度。相比加勁板高厚比,主管徑厚比對節(jié)點(diǎn)受力性能的影響不顯著。

2.2 失效準(zhǔn)則

對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究時(shí),通常根據(jù)所得到的荷載-位移曲線來確定節(jié)點(diǎn)的極限承載力。若荷載-位移曲線出現(xiàn)明顯的峰值,就以峰值點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)的極限承載力[21];若沒有出現(xiàn)明顯的峰值或出現(xiàn)多個(gè)峰值時(shí),節(jié)點(diǎn)的極限承載力定義為荷載-位移曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)后,節(jié)點(diǎn)剛度重新開始增大的時(shí)刻[22]。根據(jù)圖10可知,在加載后期,由于應(yīng)力重分布效應(yīng),節(jié)點(diǎn)形成新的平衡狀態(tài),仍具有一定的承載能力,最終節(jié)點(diǎn)因過度變形而失效。目前,對于此種情況下節(jié)點(diǎn)極限承載力的判定有幾種不同的方法,比如雙曲線法、1%D極限變形法和3%D極限變形法[23-24]。此外,Yura等提出了一種過度變形的準(zhǔn)則[25],即當(dāng)節(jié)點(diǎn)在輔材連接處的局部變形是其屈服變形的2倍時(shí),認(rèn)定節(jié)點(diǎn)因過度變形而失效。但這種方法不能直接得到節(jié)點(diǎn)的極限承載力。2003年,Choo等提出了一種基于塑性荷載的方法,認(rèn)為當(dāng)節(jié)點(diǎn)的塑性區(qū)域足夠大時(shí)所對應(yīng)的荷載為極限載荷[26]。這種方法所得到的結(jié)果能夠與CIDECT吻合較好。

為了確定環(huán)形加勁板節(jié)點(diǎn)的失效準(zhǔn)則。首先,定義節(jié)點(diǎn)的剛度:

(1)

式中:ΔP為荷載增量;Δδ為變形增量。

將參數(shù)分析得到的節(jié)點(diǎn)剛度-變形曲線繪制于圖11?？梢?當(dāng)節(jié)點(diǎn)的變形與主管直徑的比值不大于0.15%時(shí),節(jié)點(diǎn)處于彈性,節(jié)點(diǎn)的剛度隨著變形的增大基本保持不變;當(dāng)節(jié)點(diǎn)變形與主管直徑的比值大于0.15%且小于2.0%時(shí),節(jié)點(diǎn)的剛度迅速降低;當(dāng)節(jié)點(diǎn)變形與主管直徑比值大于2.0%時(shí),節(jié)點(diǎn)已處于塑性,此時(shí)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)基本不具備承載能力。因此,對于環(huán)形加勁板節(jié)點(diǎn)采用0.02D的極限變形準(zhǔn)則來確定節(jié)點(diǎn)的極限承載力是合理的。

圖11 節(jié)點(diǎn)剛度-變形曲線

根據(jù)0.02D的極限變形準(zhǔn)則,確定10個(gè)試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的極限承載力,將其與數(shù)值計(jì)算、日本規(guī)范[27]進(jìn)行對比,對比結(jié)果列于表3中。

表3 節(jié)點(diǎn)承載力對比

由表3可知,日本規(guī)范的計(jì)算結(jié)果偏于保守,而根據(jù)的0.02D極限變形準(zhǔn)則確定的節(jié)點(diǎn)極限承載力和有限元計(jì)算結(jié)果吻合良好,更能反映環(huán)板加勁節(jié)點(diǎn)的真實(shí)受力狀態(tài)。

3 結(jié)束語

通過對環(huán)形加勁板節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬,闡明了節(jié)點(diǎn)的失效模式,確定了極限承載力的判定準(zhǔn)則,得到如下結(jié)論:

1)對于受拉試件,在節(jié)點(diǎn)板與加勁環(huán)板連接處最終發(fā)生斷裂破壞,與之相差90°夾角位置處,加勁環(huán)板發(fā)生局部屈曲。對于受壓試件,在徑向壓力作用下,最終發(fā)生壓屈失效。

2)當(dāng)節(jié)點(diǎn)的變形與主管直徑的比值不大于0.15%時(shí),節(jié)點(diǎn)處于彈性,節(jié)點(diǎn)的剛度隨著變形的增大基本保持不變;當(dāng)節(jié)點(diǎn)變形與主管直徑的比值大于0.15%且小于2.0%時(shí),節(jié)點(diǎn)剛度迅速降低。

3)當(dāng)節(jié)點(diǎn)變形與主管直徑比值大于2.0%時(shí),節(jié)點(diǎn)已處于塑性,此時(shí)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)基本不具備承載能力。因此對于環(huán)形加勁板節(jié)點(diǎn)采用0.02D極限變形準(zhǔn)則來確定節(jié)點(diǎn)的極限承載力。