王學(xué)高， 邵永波

(煙臺大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 煙臺 264005)

鋼管結(jié)構(gòu)在力學(xué)性能和施工性能等方面具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)領(lǐng)域，如冶金、造船、海洋平臺、大跨空間結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)中。在這些結(jié)構(gòu)中，一個或幾個小的空心鋼管直接焊接到大的空心鋼管表面構(gòu)成管節(jié)點(diǎn)。管徑較小的鋼管稱為支管，管徑較大的鋼管稱為主管。由于主管貫通以及支管主要承受軸向力的作用，主管在節(jié)點(diǎn)部位必然承受徑向的作用力。對于空心薄壁的主管來說，它在徑向的剛度往往遠(yuǎn)小于支管的軸向剛度，所以主管表面靠近焊縫部位是管節(jié)點(diǎn)最常見的破壞部位。

為了提高管節(jié)點(diǎn)的承載力，加固措施很有必要。已經(jīng)有很多學(xué)者對管節(jié)點(diǎn)加固方法進(jìn)行了研究，歸納起來，主要有內(nèi)置加勁環(huán)加固、內(nèi)置插板加固、主管壁加厚加固、墊板加固、環(huán)口板加固等方法。文獻(xiàn)［1～4］分別通過試驗(yàn)測試和有限元分析的方法研究了內(nèi)置加勁環(huán)對提高管節(jié)點(diǎn)承載力的有效性。文獻(xiàn)［5，6］研究了內(nèi)置插板對管節(jié)點(diǎn)承載力的影響。文獻(xiàn)［7］研究了將節(jié)點(diǎn)附近的主管管壁加厚對承載力的影響。這三種加固方法均屬于主管內(nèi)部加固方式，不影響節(jié)點(diǎn)的外觀，但是操作復(fù)雜，施工難度較大，在焊接上很難保證質(zhì)量。墊板加固在節(jié)點(diǎn)發(fā)生破壞時可以有效地保護(hù)主管，國內(nèi)外也進(jìn)行了大量的研究工作［8～10］。

環(huán)口板加固是一種新穎有效的加固措施，因?yàn)檫@種加固方式可以在管節(jié)點(diǎn)的使用期間采用，而其他的加固方式只能用在管節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)階段。新加坡國立大學(xué)的Choo等人首先提出環(huán)口板加固方法，并對該方法進(jìn)行了一系列試驗(yàn)測試和有限元分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)環(huán)口板加固可以顯著地提高管節(jié)點(diǎn)的承載力［11～13］。

本文對環(huán)口板加固Y型方鋼管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析。

1 有限元模型

環(huán)口板加固方鋼管節(jié)點(diǎn)中，先將支管直接焊接在主管表面上，然后將環(huán)口板焊接在支管和主管上。圖1是環(huán)口板加固Y型方鋼管節(jié)點(diǎn)的幾何形狀示意圖。

在分析管節(jié)點(diǎn)時常采用幾個無量綱參數(shù)，如支管寬度和主管的寬度比β=d1/d0，主管的寬厚比2γ=d0/t0，環(huán)口板厚度與主管壁厚比τc=tc/t0，環(huán)口板寬度與支管寬度比lw/d1。

在對管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元建模分析時，主要有兩種單元，即實(shí)體單元和殼單元。實(shí)體單元能較為準(zhǔn)確地模擬節(jié)點(diǎn)試件的受力情況，得出應(yīng)力在管壁厚度方向上的變化情況。但由于劃分的單元數(shù)較多，計(jì)算時間較長。殼單元便于網(wǎng)格劃分，單元數(shù)目少，節(jié)省計(jì)算資源。但它忽略了應(yīng)力在管壁厚度方向上的變化，通常也會弱化節(jié)點(diǎn)的剛度尤其是主管的徑向剛度，使節(jié)點(diǎn)的極限承載力計(jì)算結(jié)果偏于保守。因此，在滿足計(jì)算機(jī)性能的前提下，本文在進(jìn)行有限元模擬時均采用實(shí)體單元。

圖1 環(huán)口板加固Y型方鋼管節(jié)點(diǎn)

在有限元分析中，采用理想彈塑性的材料模型，主管、支管和環(huán)口板的鋼材屈服強(qiáng)度均為345 MPa，彈性模量和泊松比分別為160×103MPa和0.3。

采用有限元軟件ANSYS對管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模分析。單元采用SOLID45實(shí)體單元，此單元為8節(jié)點(diǎn)6面體一次單元。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，對網(wǎng)格的密度進(jìn)行控制，主管與支管交界部分及環(huán)口板劃分的單元尺寸較小，節(jié)點(diǎn)其余部分的單元尺寸則較大。采用此網(wǎng)格劃分方法得到的加固管節(jié)點(diǎn)如圖2所示。采用TARGE170和CONTA173接觸單元在環(huán)口板的底面與主管上表面之間建立接觸以模擬環(huán)口板與主管的接觸行為。

圖2 環(huán)口板加固Y型節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)格劃分

2 環(huán)口板加固Y型節(jié)點(diǎn)承載力分析

2.1 節(jié)點(diǎn)模型

為了研究環(huán)口板加固對節(jié)點(diǎn)承載力的影響，對環(huán)口板加固節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了分析。分析中共考慮了4個參數(shù)，包括支管寬度與主管寬度比β，主管寬度與主管壁厚的比2γ，環(huán)口板厚度與主管管壁厚之比τc和環(huán)口板寬度與支管寬度之比lw/d1。對于所有有限元模型，主管與支管的管壁厚度固定為10 mm，主管長為2.0 m，支管長為0.4 m。Y節(jié)點(diǎn)主管與支管的夾角θ為45°，環(huán)口板長度lc=lw/sinθ。表1為加固Y型節(jié)點(diǎn)的參數(shù)，在有限元分析時，每一個加固節(jié)點(diǎn)分別對應(yīng)一個未加固節(jié)點(diǎn)，模型1至13與模型18對應(yīng)的未加固節(jié)點(diǎn)的尺寸是一樣的。

表1 未加固Y型節(jié)點(diǎn)的參數(shù)

表2 加固Y型節(jié)點(diǎn)的參數(shù)

在進(jìn)行有限元模擬時，主管采用一端鉸接，一端滑動支座的邊界條件設(shè)置。通過對支管端部自由度的限制使支管只發(fā)生軸向的位移。加載方式采用位移控制，通過控制支管端部發(fā)生軸向位移對模型進(jìn)行加載。

2.2 環(huán)口板加固與未加固節(jié)點(diǎn)極限承載力比較

定義極限承載力的方法有好幾種，本文采用其中最常用的兩種定義方法。第一種定義方法是將節(jié)點(diǎn)的荷載-變形曲線最高點(diǎn)對應(yīng)的荷載值作為節(jié)點(diǎn)的極限承載力。然而，如果荷載-變形曲線沒有明顯的下降段，這種定義方式是不適用的。另一種方法考慮了主管在焊縫處的局部變形，將變形值為主管寬度的3%時對應(yīng)的荷載值作為節(jié)點(diǎn)的極限承載力。圖3為模型4環(huán)口板加固節(jié)點(diǎn)與對應(yīng)的未加固節(jié)點(diǎn)的極限承載力比較，可以看出環(huán)口板加固節(jié)點(diǎn)的承載能力比未加固節(jié)點(diǎn)的承載能力提高61.2%，表2為環(huán)口板加固節(jié)點(diǎn)與未加固節(jié)點(diǎn)的的極限承載力比較，環(huán)口板加固節(jié)點(diǎn)的承載力與相對應(yīng)的未加固節(jié)點(diǎn)的承載力相比，均有較大的提高。說明環(huán)口板加固可以用于Y型方鋼管節(jié)點(diǎn)，并顯著提高節(jié)點(diǎn)的極限承載力。

表3 加固與未加固節(jié)點(diǎn)極限承載力比較

圖3 2γ =25，β=0.3，τc=1.5，lw/d1=1.75

2.3 環(huán)口板厚度對極限承載力的影響

圖4為環(huán)口板厚度對極限承載力的影響。圖4中對于同一組模型，增大環(huán)口板的厚度對節(jié)點(diǎn)極限承載能力的提高非常顯著，當(dāng)τc為2.5時，節(jié)點(diǎn)的極限承載力提高非常明顯，提高約80%。為3.0時，環(huán)口板承載力的提高效果為74%。所以建議環(huán)口板的厚度不宜超過主管管壁厚度的2.5倍。

圖4 環(huán)口板厚度對承載力的影響

2.4 其他參數(shù)對極限承載力的影響

圖5 環(huán)口板長度對承載力的影響

從圖5(a)可以看出，節(jié)點(diǎn)的承載力隨著lw/d1的增大而提高，lw/d1為2.0時，環(huán)口板加固節(jié)點(diǎn)的極限承載力提高約70%，當(dāng)lw/d1達(dá)到2.5時極限承載力提高約74.8%，當(dāng)lw/d1達(dá)到3.0時極限承載力提高約85%。因?yàn)閘w/d1再增大的話，環(huán)口板寬度就會超過主管的寬度，所以建議環(huán)口板寬度不宜超過支管寬度的3.0倍。從圖5(b)可以看出，節(jié)點(diǎn)的承載力隨著β的增大而提高。但β的值不宜太大，因?yàn)棣逻_(dá)到0.6時，環(huán)口板寬度就會超過主管的寬度，所以建議β的取值不宜超過0.5。圖5(c)中，節(jié)點(diǎn)的承載力隨著2γ的增大而提高，但當(dāng)2γ達(dá)到30時承載力下降，因?yàn)橹鞴軓胶癖?γ較大，而β較小時，主管上翼緣板承受支管傳來的橫向荷載并破壞，主管側(cè)壁發(fā)生局部屈曲破壞，所以承載力下降，可以在主管兩側(cè)面焊接一塊加強(qiáng)板，提高主管的剪切強(qiáng)度，防止主管側(cè)壁屈曲。

圖6 節(jié)點(diǎn)的破壞模式

3 破壞模態(tài)

未加固節(jié)點(diǎn)的破壞為主支管交匯處的主管沖剪破壞如圖6(a)，當(dāng)τc為1.2時即環(huán)口板厚度較小時，采用環(huán)口板加固后的節(jié)點(diǎn)為環(huán)口板的屈服破壞如圖6(b)。當(dāng)τc為2.5時即環(huán)口板厚度較大時，采用環(huán)口板加固后的節(jié)點(diǎn)為環(huán)口板外圍與主管相交處的屈服破壞如圖6(c)。

4 結(jié)論

(1)環(huán)口板加固Y型管節(jié)點(diǎn)可以顯著提高節(jié)點(diǎn)的極限承載力。

(2)節(jié)點(diǎn)的承載力隨著lw/d1的增大而提高，建議環(huán)口板寬度不宜超過支管寬度的3.0倍。

(3)節(jié)點(diǎn)的承載力隨著τc的增大而提高，但環(huán)口板加固厚度不宜太大，建議環(huán)口板厚度不超過主管厚度的2.5倍。

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