張寶峰 劉 凱 張登凱 申傳瑞 趙 暉

(1.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590； 2.臨沂市規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)研究院，山東 臨沂 276000)

?

結(jié)構(gòu)損傷對(duì)T型圓鋼管環(huán)口板加固的影響

張寶峰1劉 凱1張登凱2申傳瑞1趙 暉2

(1.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590； 2.臨沂市規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)研究院，山東 臨沂 276000)

制作了5個(gè)T型圓鋼管節(jié)點(diǎn)構(gòu)件，對(duì)各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行了靜力荷載試驗(yàn)，分析了結(jié)構(gòu)損傷對(duì)T型圓鋼管環(huán)口板加固的影響，結(jié)果表明：環(huán)口板尺寸越大，受到的結(jié)構(gòu)損傷影響越明顯。

圓鋼管，環(huán)口板加固法，靜力荷載，承載力

0 引言

圓鋼管結(jié)構(gòu)由于其輕質(zhì)壁薄，經(jīng)濟(jì)美觀，方便安裝等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于體育場(chǎng)、火車站、海洋平臺(tái)等結(jié)構(gòu)中。其組成通長(zhǎng)是將一個(gè)管徑較大的管通長(zhǎng)，將一個(gè)或幾個(gè)管徑較小的管通過坡口融透焊的形式焊接在主管上。其中管徑較大的管稱為主管，管徑較小的管稱為支管。由于管節(jié)點(diǎn)支管處的軸向剛度大于主管處的徑向剛度，因此關(guān)節(jié)點(diǎn)的破壞通常是主支管相交處以焊趾為輪廓線的主管凹陷變形。

為了增強(qiáng)管節(jié)點(diǎn)的性能，常常用增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)主管的徑向剛度的方式來增強(qiáng)承載力，增強(qiáng)方法主要包括環(huán)口板加固[1-3]、內(nèi)置加勁環(huán)加固[4-7]、內(nèi)置插板加固[8,9]、主管局部加厚加固[10]和墊板加固[11-13]等幾種形式。在這些方法中環(huán)口板加固法是唯一既可以在設(shè)計(jì)期間就進(jìn)行加固又可以對(duì)服役期的結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固的加固方式，因此得到了廣泛應(yīng)用和深入研究。

目前環(huán)口板加固法主要研究方向在于其靜承載力和滯回性能。而對(duì)于損傷對(duì)加固的影響較少，因此本文對(duì)5個(gè)構(gòu)件進(jìn)行靜承載力試驗(yàn)，研究構(gòu)件的損傷對(duì)環(huán)口板加固效果的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)置

1.1 構(gòu)件制作和編號(hào)

本次試驗(yàn)使用5個(gè)T型圓鋼管節(jié)點(diǎn)構(gòu)件，其中有一個(gè)構(gòu)件不進(jìn)行加固作為對(duì)比構(gòu)件，兩個(gè)構(gòu)件分別用不同尺寸的環(huán)口板進(jìn)行加固后再施加荷載，觀察其極限承載力，剩下兩個(gè)構(gòu)件先進(jìn)行相同程度的損傷后，再分別焊接兩個(gè)尺寸的環(huán)口板并施加荷載，觀察其極限承載力。分析環(huán)口板加固構(gòu)件因損傷而少提高的承載力值。

主支管通過坡口熔透焊焊接在一起，焊接前在構(gòu)件支管處打坡口，然后再焊接在一起。

環(huán)口板使用角焊縫和主管與支管焊接在一起，構(gòu)件的尺寸如圖1所示。同時(shí)為了保證焊縫的質(zhì)量，也為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)T型節(jié)點(diǎn)相關(guān)處的坡口熔透焊使用超聲波技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，確定沒有焊接缺陷后再進(jìn)行試驗(yàn)。

構(gòu)件的尺寸和編號(hào)如表1所示。

表1 構(gòu)件尺寸表 mm

同時(shí)為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)試驗(yàn)構(gòu)件進(jìn)行了材料性能試驗(yàn)，測(cè)試方法依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228—2002金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行，對(duì)構(gòu)件主管、支管、環(huán)口板各做三個(gè)材料性能試驗(yàn)構(gòu)件進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果取平均值。所得結(jié)果如表2所示。

表2 構(gòu)件材料性能表

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及裝置

本次試驗(yàn)在山東科技大學(xué)防震減災(zāi)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，加載裝置使用50 t位級(jí)FCS液壓伺服器。本機(jī)器可以通過位移控制和荷載控制兩種方式進(jìn)行加載，位移控制的最大變動(dòng)量是±250 mm，荷載控制最大可以加到50 t。

本次試驗(yàn)的采集儀統(tǒng)一使用東華TH-5922型采集儀。把荷載傳感器、位移計(jì)、應(yīng)變片通過橋盒了解到采集儀上，各靈敏度由廠家提供，如圖2所示。

經(jīng)過近6年來的《內(nèi)經(jīng)》教學(xué)模式探索，筆者發(fā)現(xiàn)，教師單純依靠說教和精彩的課堂展示已經(jīng)不能從根本上提高學(xué)生學(xué)習(xí)經(jīng)典的興趣，按照“誦讀-研習(xí)-實(shí)踐”三步曲的連貫性教學(xué)法，有效的將形成性評(píng)價(jià)融入其中才能夠真正調(diào)動(dòng)起學(xué)生的主觀能動(dòng)性，本文將近五年利用這種教學(xué)法在《內(nèi)經(jīng)》教學(xué)中的實(shí)踐進(jìn)行一個(gè)總結(jié)，以供參考。

試驗(yàn)過程中，把圓鋼管構(gòu)件通過螺栓固定在固定板上，再把固定板通過螺栓固定在固定支座上。固定板和試驗(yàn)過程的圖如圖3,圖4所示。

1.3 加載制度

本次試驗(yàn)使用位移和荷載控制兩種加載方式。對(duì)于未加固構(gòu)件1號(hào)和直接加固構(gòu)件2號(hào)，4號(hào)，先使用荷載控制，觀察試驗(yàn)曲線，進(jìn)入塑性后改用位移控制，施加軸向壓力，直至試驗(yàn)結(jié)束。荷載控制的加載力度為30 kN/min，位移控制的力度7 mm/min。

對(duì)于損傷后加固構(gòu)件3號(hào),5號(hào)，首先使用位移控制把構(gòu)件壓到極限位移Δu(通過構(gòu)件1號(hào)的曲線可以得知)的1.4倍，即1.4Δu。拿下來加固后再同構(gòu)件2號(hào)，4號(hào)一樣通過荷載控制和位移控制兩種方式壓壞。

2 試驗(yàn)過程及分析

2.1 試驗(yàn)過程及現(xiàn)象

為了觀察試驗(yàn)中構(gòu)件的變形，提前在構(gòu)件上打好了黑色網(wǎng)格。圖5是構(gòu)件1號(hào)在軸向荷載下的破壞模式，從圖中可以看出，未加固構(gòu)件1號(hào)的破壞主要發(fā)生在主支管相貫處的焊趾位置，是以焊趾為輪廓線的凹陷變形，這是因?yàn)門型圓鋼管節(jié)點(diǎn)構(gòu)件的支管軸向剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主管的徑向剛度，因此破壞是主管徑向向里凹陷的破壞。

圖7分別是構(gòu)件3號(hào)，5號(hào)在損傷后焊接環(huán)口板后的破壞模式。之前打的格子因焊接環(huán)口板而變黑，但是依舊可以觀察到，構(gòu)件在損傷階段產(chǎn)生的塑性變形依然存在，在主支管相交處可以看到明顯的凹陷，但是在環(huán)口板與主管相交處依然存在明顯的凹陷變形，說明環(huán)口板仍然起到加固作用，增加了主管的徑向剛度，破壞向徑向剛度較弱的環(huán)口板與主管相交處轉(zhuǎn)移。

2.2 數(shù)據(jù)對(duì)比分析

通過采集儀測(cè)得的數(shù)據(jù)畫出每個(gè)構(gòu)件的荷載位移曲線。把各構(gòu)件荷載的最大值作為極限荷載，對(duì)應(yīng)的位移作為極限位移。

圖8a)是構(gòu)件1號(hào)，2號(hào)，4號(hào)的荷載位移曲線，1號(hào)的極限承載力為168.00 kN，使用141 mm環(huán)口板加固后的極限承載力為207.25 kN，增加了23.36%，加固效果明顯。184 mm環(huán)口板加固后極限承載力為229.75 kN，增加了36.76%，說明環(huán)口板尺寸越大加固效果越明顯。

圖8b)是構(gòu)件1號(hào)～3號(hào)的荷載位移曲線，可以發(fā)現(xiàn)損傷后加固構(gòu)件3號(hào)的承載力依然得到了提高，達(dá)到了190.23 kN，相比于未加固構(gòu)件1號(hào)已經(jīng)提高了13.23%，相比于未損傷同尺寸環(huán)口板加固構(gòu)件2號(hào)，少提高了10.13%的承載力。

圖8c)是構(gòu)件1號(hào)，4號(hào)，5號(hào)的荷載位移曲線，損傷后加固構(gòu)件4號(hào)的承載力依然得到了提高，達(dá)到了209.60 kN，相比于未加固構(gòu)件1號(hào)已經(jīng)提高了24.76%，相對(duì)未損傷同尺寸環(huán)口板加固構(gòu)件5號(hào)少提高了12.00%。

可見構(gòu)件在損傷后進(jìn)行環(huán)口板加固，構(gòu)件的極限承載力依然可以得到提高。這說明環(huán)口板加固法適用于服役期間的結(jié)構(gòu)。同樣程度的損傷對(duì)不同尺寸環(huán)口板加固效果的影響不同，對(duì)于141 mm的環(huán)口板，損傷加固構(gòu)件相對(duì)于直接加固構(gòu)件少提高了10.13%的承載力，而對(duì)于184 mm的環(huán)口板，則少提高了12.00%。

3 試驗(yàn)結(jié)論

通過5個(gè)T型圓鋼管構(gòu)件在靜力荷載作用下的試驗(yàn)，可以得到以下結(jié)論：1)環(huán)口板加固法可以有效的提高節(jié)點(diǎn)的極限承載力，且環(huán)口板尺寸越大，加固效果越好;2)構(gòu)件受損后，環(huán)口板依然可以提高節(jié)點(diǎn)的極限承載力，但是較直接加固構(gòu)件提高較少;3)同等程度的損傷對(duì)不同尺寸環(huán)口板加固效果的影響不同，環(huán)口板尺寸越大受損傷影響越明顯。

[1] Choo Y S, Liang J X, Van Der Vegte G J，et al. Stat-ic; trength of collar plate reinforced CHS X-Joints loaded by in-pla

ne bending[J].Journal of Constructional Steel Research,2004,60(12):1745-1760.

[2] Choo Y S, Van Der Vegte G J， Zettlemoyer N, et al.Static strength of T-joints reinforced with doubler or collar plates. I: experimental investigation[J]. Journal of Structural Engineering ASCE,2005,131(1):119-128.

[3] Van Der Vegte G J, Choo Y S, Liang J X, et al. Static strength of T-joints reinforced with doubler or collar plates. II: numerical simulations[J].Journal of Structural Engineering ASCE,2005,131(1):129-138.

[4] Ramachandra Murthy D S, Madhava Rao A G, Gandhi G, et al. Structural elficiency of internally ring-Stiff-ened steel tubular joints[J].Journal of Structural Engineering, ASCE, 1992, 118(11):3016-3035.

[5] Thandavamoorthy T S, Madhava Rao A G, Santhaku-mar A R. Behavior of internally ring-tiffened joints of offshore platforms[J]. Journal of Structural Engineering, ASCE,1999,125(1):1348-1352.

[6] Lee M M K, Llewelyn-Parry A. Strength of ring-stiff-ened tubular T-joints in offshore structure a numerical parametric study[J]. Journal of Constructional Steel Research,1999,51(8):239-264.

[7] Lee M M K, Llewelyn-Parry A. Offshore tubular T-joints reinforced with internal plain annular ring stiffeners [J].Journal of Structural Engineering, ASCE,2004,130(6):942-951.

[8] 王 閣,張季超.內(nèi)置加強(qiáng)板空間相貫圓鋼管節(jié)點(diǎn)在廣東科學(xué)中心工程中的應(yīng)用研究[J].工業(yè)建筑,2007,37(10):93-97.

[9] 李 濤,邵永波,張季超.內(nèi)置橫向插板加強(qiáng)型管節(jié)點(diǎn)靜力強(qiáng)度研究[J].鋼結(jié)構(gòu),2009,24(123):25-29.

[10] Shao Y B. Study on reinforcing methods for welded tubular joints structures[J].Journal of Yantai University( Natural Science and Engineering Edition),2009,22(4):2312-2320.

[11] Fung T C, Chan T K, Soh C K. Ultimate capacity of doubler plate-reinforced tubular joints[J]. Journal of Structural Engineering, ASCE, 1999,125(8):891-899.

[12] Fung T C, Soh C K, Chan T K, et al. Stress concen-tration factors of doubler plate reinforced tubular joints[J]. Journal of Structural Engineering, ASCE,2002,128(11):1399-1412.

[13] Choo Y S, Liang J X, Van Der Vegte G J,et al. Stat-ic; strength of doubler plate reinforced CHS X-joints loaded by in-plane bending[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2004, 60(12):1725-1744.

Impact of structural damage upon T-style circular steel-tube collar-plate reinforcement

Zhang Baofeng1Liu Kai1Zhang Dengkai2Shen Chuanrui1Zhao Hui2

(1.ShandongUniversityofScience&Technology，Qingdao266590,China;2.LinyiAcademyofPlanningBuildingDesign,Linyi276000,China)

The thesis makes 5 T-style circular steel-tube joint components, carries out static load test for various components, and analyzes the impact structural damage upon T-style circular steel-tube collar-plate. Results show that: as the collar-plate size increasing, the structural damage impact will be more obvious.

circular steel-tube, collar-plate reinforcement method, static load, bearing capacity

1009-6825(2017)10-0044-03

2017-01-20

張寶峰(1990- )，男，在讀碩士； 劉 凱(1988- )，男，在讀碩士； 張登凱(1989- )，男，助理工程師； 申傳瑞(1991- )，男，在讀碩士； 趙 暉(1989- )，男，助理工程師

TU318

A