陳 鵬，邢凱峰，黃 劍

（黃山學院 建筑工程學院，安徽 黃山 245041）

大跨度空間結(jié)構(gòu)越來越廣泛的應用主要原因在于其節(jié)點的優(yōu)越性能，因此,大跨空間鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點成為研究的熱點和重點?？臻g節(jié)點能夠三維受力和傳力，在平面K型圓鋼管搭接節(jié)點靜力強度方面的討論已經(jīng)開展的比較深入[1-7],其次有關高周疲勞下節(jié)點的破壞機理探討也取得不少成果，目前開展較少的主要是小周期往復荷載作用下節(jié)點彈塑性變形過程的研究。研究工作的滯后對工程設計和施工的安全性、經(jīng)濟性已造成不利影響。

空間搭接節(jié)點比較顯著的特點在于桿件材料的幾何特征、焊縫形式、腹桿受力形式共同決定了節(jié)點的受力性能。合理的搭接節(jié)點設計應是尋求3根桿件和節(jié)點力學性能的最佳結(jié)合點，為此對圓鋼管K型搭接節(jié)點在弦桿軸向荷載作用下破壞過程的研究,主要通過有限元分析，得到K型搭接節(jié)點內(nèi)隱蔽焊縫在焊與不焊兩種情況下的滯回特性，量化評價其變形能力和耗能能力，揭示K型搭接節(jié)點，內(nèi)隱蔽焊縫的延性及節(jié)點破壞機理。最后對帶有K型搭接節(jié)點的管結(jié)構(gòu)進行整體結(jié)構(gòu)分析，得到結(jié)構(gòu)的受力性能、破壞模式及節(jié)點極限承載力。本文通過一系列非線性計算和比較分析,得到一些有實用價值的結(jié)論。

1 試件設計

表1 K型搭接節(jié)點的幾何參數(shù)

節(jié)點試件鋼材選用Q235鋼，試件尺寸主管?159×6,支管 ?76×4 與 ?89×5,根據(jù)主支管尺寸不同以及焊縫形式的改變設計2組共4個試件，其中焊縫形式的模擬通過有限元單元的改變來實現(xiàn)。表1詳細列出了各個試件的幾個參數(shù)，表中的YH和YN分別用來表示隱藏焊縫焊接與不焊接。其中節(jié)點偏心距用e表示，hf為角焊縫的焊腳尺寸，弦腹桿直徑用表中D和t表示，T和t為弦腹桿的厚度，i和j用來表示搭接順序，表中β、γ、τ分別表示管件之間的幾何尺寸（直徑、厚度、徑厚）比值，θ用來表示桿件之間相交的角度，腹桿之間搭接面積的比值通過搭接率Ov%來表示。搭接節(jié)點示意圖見圖1。

圖1 K型搭接節(jié)點基本構(gòu)造

2 分析模型的建立

2.1 單元類型

有限元分析中結(jié)果的準確度與精確程度主要取決于材料單元的選取。在搭接節(jié)點的有限元分析中，計算精度高的是SOLID單元，但是耗時，因此較為實際的模型單元一般選用彈塑性殼單元。通過試驗結(jié)果的比較在本次研究中找出的3維4節(jié)點彈塑性殼單元SHELL181單元與實際情況吻合度高、計算時間短、效率高的。為簡化計算焊縫的實際模擬同樣采用殼單元，按以上選取的單元，對K型節(jié)點試件建立模型，模型的區(qū)別在于搭接方式的不同，隱藏焊縫的焊接不同以及桿件尺寸的不同。節(jié)點模型見圖2，焊縫的建模如圖3所示。

圖2 節(jié)點模型

圖3 焊縫的數(shù)值模擬

2.2 材料屬性

節(jié)點分析選擇Q235的鋼材，屈服強度為235MPa，u取值為 0.3，彈性模量取 206GPa，雙線性強化模型為鋼材本構(gòu)關系，服從Von Mises屈服準則。為簡化計算過程，忽略節(jié)點殘余應力的影響。

2.3 約束方式及加載方式

小周期往復荷載作用下節(jié)點滯回性能的研究對于邊界條件以及加載方式的選取同樣至關重要。為了與實際工程吻合更加貼切的同時又能全面考察鋼管相貫節(jié)點彈塑性全過程，在加載方式上參考了國內(nèi)外有關資料結(jié)合鋼模板試驗的加載特點及有限元程序的功能，建立如圖4所示的邊界條件。選擇2支管鉸接的約束形式，節(jié)點只能在平面內(nèi)繞鉸接點轉(zhuǎn)動。關于節(jié)點低周期荷載的加載路徑的實現(xiàn)，分析中按時間逐級增加加載，加載機制采用變幅加載，即在弦桿上每加載和卸載一次作為一個循環(huán)，再反向加卸載循環(huán)，每步荷載增量為25KN。加載路徑如圖5所示，空載→逐漸增加至控制荷載→等待15min→卸載結(jié)束→等待15min→反向加載至荷載值，依次往復循環(huán)。

圖4 K型節(jié)點邊界條件和約束加載方式

圖5 加載路徑圖

3 有限元模擬破壞模式

節(jié)點開始加載到最后破壞，一般經(jīng)歷3個階段：近似線彈性階段；彈塑性階段；近似完全塑性階段。

YH-K01屈服時節(jié)點處焊縫首先發(fā)現(xiàn)變形，比較明顯的變形區(qū)域存在于搭接支管焊縫處，荷載增加塑性區(qū)域隨著逐漸增加，變形增長速度最快的同樣是搭接支管部分，破壞時的狀態(tài)為集合點處的焊縫破壞嚴重，搭接支管與主管焊接部分及其附近區(qū)域嚴重損壞。

YN-K01三桿的匯交點處最先出現(xiàn)屈服，焊縫區(qū)最后全部擴展為屈服區(qū)域，直到整個焊縫區(qū)破壞，兩支管都發(fā)生較大的塑性變形，主管也有相應的變形。

YH-K02的屈服點首先發(fā)現(xiàn)在搭接支主管處的焊縫，屈服面積在進一步荷載下逐漸擴展，2支管焊縫區(qū)的變形發(fā)展尤為明顯，最后破壞在焊縫區(qū)，大變形同樣存在于主弦管的主體部分。

YN-K02也是節(jié)點結(jié)合處首先出現(xiàn)屈服，整個焊縫區(qū)最終發(fā)展為屈服區(qū)域，焊縫的完全破壞為節(jié)點的最終破壞形式，破壞時在搭接管的尾部變形很明顯并且出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。同樣的大變形也出現(xiàn)在支管主體部分，在焊縫區(qū)逐漸破壞時支管主體部分也慢慢逐漸損壞。

4 結(jié) 論

通過分析可知，平面K型搭接結(jié)點破壞主要存在主支管連接焊縫處或者弦桿管壁發(fā)生局部屈曲破壞，不同的焊縫形式下節(jié)點的塑性發(fā)展區(qū)域有明顯的區(qū)別，同時支管的壁厚以及搭接率也有一定影響。但是在4種不同條件下的模型應力最大的位置都存在于節(jié)點處與實際情況一致。

K型搭接相貫節(jié)點在內(nèi)隱藏焊縫焊與不焊時屈服和破壞都是從焊縫的根部開始的，因此說明節(jié)點焊縫對結(jié)構(gòu)設計的重要性。K-YH屈服點開始出現(xiàn)在支管的搭接處，隨著荷載進一步的發(fā)展，支管的屈服面積逐漸變形發(fā)展至整個節(jié)點破壞，屈服過后，搭接支管變形明顯大于被搭接支管。最后的失效模式是搭接支管大面積變形導致節(jié)點破壞。

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