黃素清,陳　駒,徐　菲

HUANG Suqing，CHEN Ju，XU Fei

(1.浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 杭州 311231；2.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310058)

節(jié)點(diǎn)板連接節(jié)點(diǎn)是鋼管結(jié)構(gòu)中常見的節(jié)點(diǎn)形式,具有節(jié)點(diǎn)板可直接焊接在主HH置法蘭等優(yōu)點(diǎn),在鋼管結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用,尤其針對(duì)主要受風(fēng)荷載作用的輸電桿塔。隨著鋼管混凝土主管在輸電桿塔中的推廣應(yīng)用,鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)板節(jié)點(diǎn)也出現(xiàn)在工程中,例如蘇通長(zhǎng)江大跨越輸電塔結(jié)構(gòu)將采用節(jié)點(diǎn)板連接節(jié)點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外只有針對(duì)純鋼管節(jié)點(diǎn)板節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的相應(yīng)指南和規(guī)范,如AISC[1],EC3[2],CIDECT[3],日本鐵塔協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)[4],架空輸電線路鋼管塔設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[5],但尚無(wú)針對(duì)鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)板節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的規(guī)范。

隨著鋼管混凝土在國(guó)內(nèi)外的廣泛應(yīng)用,關(guān)于鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)的研究也吸引了國(guó)內(nèi)外的眾多研究者。目前鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)的相關(guān)研究大致可分為兩類,一是高層建筑中的鋼管混凝土與鋼梁/混凝土梁的節(jié)點(diǎn)研究：我國(guó)矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[6]將內(nèi)隔板式節(jié)點(diǎn)和外隔板式節(jié)點(diǎn)列為方鋼管混凝土柱與鋼梁連接節(jié)點(diǎn)的推薦型式,余勇[7],周天華[8],聶建國(guó)等[9-10],苗紀(jì)奎等[11],宗周紅等[12],王文達(dá)等[13],霍靜思等[14]均展開了對(duì)其靜力和抗震性能的研究并提出設(shè)計(jì)理論，開展了半剛性薄壁鋼管混凝土端板連接節(jié)點(diǎn)研究；薛建陽(yáng)等[16]開展了矩形鋼管混凝土異形柱-鋼梁框架節(jié)點(diǎn)研究；蔣麗忠等[17]開展了鋼管混凝土格構(gòu)柱-組合隨著鋼管混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的擴(kuò)展應(yīng)用；新的節(jié)點(diǎn)型式不斷出現(xiàn),如王靜峰等[15]箱梁節(jié)點(diǎn)研究。國(guó)際上Kato et al.[18],Azizinamini[19],Alostaz & Schneider[20]Wu et al.[21]開展了多種鋼管混凝土與鋼梁連接節(jié)點(diǎn)的研究。二是 鋼管混凝土橋梁/構(gòu)架等結(jié)構(gòu)中的管接節(jié)點(diǎn),劉永健等[22]開展了對(duì)于矩形鋼管混凝土相貫節(jié)點(diǎn)的研究；陳寶春等[23],童樂(lè)為等[24]、陳譽(yù)等[25]、李新華等[26]和陳駒等[27]開展了圓鋼管混凝土相貫節(jié)點(diǎn)的研究；陳以一等[28]和童樂(lè)為等[29]基于廣州新電視塔開展了梁-立柱-支撐-牛腿焊接節(jié)點(diǎn)研究；韓小雷等[30]和方小丹等[31]基于廣州西塔開展了鋼管混凝土空間相貫節(jié)點(diǎn)的研究；李斌等[32]研究了應(yīng)用于風(fēng)電塔架的鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)。趙才其等[33]探索了中厚壁、大直徑鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)可能存在的層狀撕裂問(wèn)題。曹寶珠等[34]還研究了連接板插入主管的鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)受壓性能。國(guó)際上Packer[35]提出對(duì)于矩形鋼管混凝土相貫節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法,Yoshinaga[36]開展了K型鋼管混凝土相貫節(jié)點(diǎn)的研究,Feng&Young[37]開展了不銹鋼矩形鋼管混凝土相貫節(jié)點(diǎn)的研究。綜上所述,由于強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱梁的設(shè)計(jì)理念,對(duì)于高層建筑中的鋼管混凝土與鋼梁的節(jié)點(diǎn)性能主要考慮其抗震性能,而管結(jié)構(gòu)中的相貫節(jié)點(diǎn)則主要考慮其拉壓彎的性能,特殊結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)一般是為其復(fù)雜的工程個(gè)案的設(shè)計(jì)提供參考。對(duì)于節(jié)點(diǎn)板直接焊接在主管壁上的鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)板節(jié)點(diǎn)則未見相關(guān)研究。

1　試驗(yàn)研究

試驗(yàn)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)板節(jié)點(diǎn)軸心受拉試件3個(gè)。所有試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)主管與支管連接方式均為十字插板連接,節(jié)點(diǎn)板高度為190mm。各節(jié)點(diǎn)試件實(shí)測(cè)尺寸和試件編號(hào)見表1。試件編號(hào)中第一個(gè)字母表示節(jié)點(diǎn)類型,其后的符號(hào)“-”后的數(shù)字依次表示主管直徑、厚度、節(jié)點(diǎn)板長(zhǎng)度和厚度,字母“A”(Axial)表示軸心軸拉節(jié)點(diǎn),字母“R”表示重復(fù)試件,尺寸的單位均為mm。主管尺寸和節(jié)點(diǎn)板尺寸分別為300mm×4mm和500mm×12mm。節(jié)點(diǎn)示意圖見圖1。試驗(yàn)采用量程為1000kN的MTS加載設(shè)備加載,最大拉伸荷載為980kN。試件加載布置圖見圖2。

表1　試件實(shí)測(cè)尺寸和材料標(biāo)號(hào)

表2　試件鋼材力學(xué)性能

圖1　軸心受拉節(jié)點(diǎn)幾何外形及參數(shù)

T型節(jié)點(diǎn)軸心受拉試件T-300-4-500-12A和T-300-4-500-12AR最終破壞模式均為主管壁沖剪破壞,見圖3。試件T-300-6-500-12A屬于受拉支管屈服破壞。沖剪破壞的節(jié)點(diǎn)試件在彈性階段時(shí),焊縫周圍主管管壁未出現(xiàn)明顯變形,當(dāng)加載進(jìn)入彈塑性階段后,節(jié)點(diǎn)主管管壁變形迅速增加,當(dāng)荷載達(dá)到85%極限承載力時(shí)，焊縫兩端開始出現(xiàn)裂紋,但是此時(shí)承載力仍可以繼續(xù)增加。隨著荷載繼續(xù)增加,裂紋在管壁厚度方向逐漸貫通,焊縫兩端出現(xiàn)主管壁沖剪破壞,此時(shí)承載力約為98%極限承載力。隨著荷載繼續(xù)增加，焊趾附近主管管壁變形發(fā)展迅速,很短時(shí)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)沿焊縫通長(zhǎng)發(fā)生沖剪破壞,承載力迅速下降,破壞呈現(xiàn)突然型。表3為軸拉荷載作用下鋼管混凝土板接節(jié)點(diǎn)承載力及破壞模式,隨著主管管壁增厚和節(jié)點(diǎn)板長(zhǎng)度加大,節(jié)點(diǎn)承載力均有不同程度增加。

圖2　節(jié)點(diǎn)加載裝置

圖3　節(jié)點(diǎn)破壞模式

2　有限元模擬

鋼管混凝土板接節(jié)點(diǎn)有限元模型采用ABAQUS/Explicit分析模塊進(jìn)行分析。模型中考慮了混凝土材料本構(gòu),鋼材塑性流動(dòng)準(zhǔn)則、屈服準(zhǔn)則、塑性強(qiáng)化準(zhǔn)則、失效準(zhǔn)則；考慮了鋼材與混凝土之間的接觸設(shè)置,模型單元類型及質(zhì)量放大因子的影響。鋼材本構(gòu)模型采用原位試件單軸拉伸試驗(yàn)真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線。節(jié)點(diǎn)通過(guò)簡(jiǎn)化,加載面定義在節(jié)點(diǎn)板上,面積為節(jié)點(diǎn)板螺栓孔連線與板上邊緣所圍成的面積。平面內(nèi)彎矩荷載作用下的板接節(jié)點(diǎn)忽略其螺栓連接影響,將節(jié)點(diǎn)支管簡(jiǎn)化為“剛臂”,與節(jié)點(diǎn)板通過(guò)“Tie”連接,接觸面為節(jié)點(diǎn)板螺栓孔連線與板上邊緣所圍成的面,節(jié)點(diǎn)有限元模型力臂長(zhǎng)度與實(shí)際試件相同。有限元模型按照節(jié)點(diǎn)實(shí)測(cè)尺寸建立,模型網(wǎng)格劃分采用分區(qū)塊劃分方法,密集網(wǎng)格劃分區(qū)域網(wǎng)格邊長(zhǎng)約為3mm,稀疏網(wǎng)格劃分區(qū)域網(wǎng)格邊長(zhǎng)為25mm。內(nèi)部混凝土網(wǎng)格邊長(zhǎng)約為15mm。

(1)

圖4　MMC模型空間斷裂失效面

鋼材屈服面采用為Von Mises屈服面,則式(1)可以簡(jiǎn)化為：

(2)

η為三軸應(yīng)力比,可表示為：

(3)

(4)

式中:σm為靜水壓力；

ξ為正態(tài)化的第三應(yīng)力不變量；

θ為L(zhǎng)ode角。

3　模擬結(jié)果驗(yàn)證

通過(guò)有限元分析,得到節(jié)點(diǎn)破壞模式為焊趾附近主管壁沖剪破壞。節(jié)點(diǎn)有限元模型的破壞模式和裂紋發(fā)展均與試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)一致,說(shuō)明模型能夠準(zhǔn)確地反映軸拉荷載作用下板接節(jié)點(diǎn)的不同失效模式、失效起始點(diǎn)位置及裂紋開展路徑。見圖5。

圖5　節(jié)點(diǎn)有限元模型破壞模式與試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)破壞模式對(duì)比

試件編號(hào)Pu A-Test/kNPu-FEA/kNPu-FEA/ PuA-TestT-300-4-500-12A843.7834.20.99T-300-4-500-12AR766.3834.21.09

節(jié)點(diǎn)有限元模型計(jì)算極限承載力見表5,節(jié)點(diǎn)有限元模型計(jì)算承載力與試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)承載力之比誤差在10%以內(nèi)。模型計(jì)算結(jié)果略大于試驗(yàn)結(jié)果,其誤差來(lái)源于：1)實(shí)際試驗(yàn)與模型之間的簡(jiǎn)化如加載面的簡(jiǎn)化處理和忽略螺栓連接對(duì)承載力的影響等；2)鋼管與混凝土之間接觸作用的簡(jiǎn)化；3)模型邊界條件的理想化等?？傮w而言,建立的有限元模型能夠相對(duì)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)鋼管混凝土板接節(jié)點(diǎn)軸拉承載力。

4　結(jié)　語(yǔ)

通過(guò)開展軸拉荷載作用下薄壁圓鋼管混凝土十字插板連接節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬研究,分析節(jié)點(diǎn)的破壞模式、破壞機(jī)理和極限承載力等,得出以下結(jié)論：

1) 對(duì)鋼管混凝土T型十字插板節(jié)點(diǎn)進(jìn)行軸心受拉試驗(yàn)研究,試驗(yàn)結(jié)果顯示T-300-4-500-12A、T-300-4-500-12AR節(jié)點(diǎn)為主管管壁沖剪破壞,T-300-6-500-12A節(jié)點(diǎn)為支管屈服破壞。不同主管壁厚的T型節(jié)點(diǎn)軸拉試驗(yàn)結(jié)果表明,沖剪破壞承載力隨主管壁厚增加分別顯著提高。

2) 對(duì)鋼管混凝土板接節(jié)點(diǎn)建立ABAQUS/Explicit有限元分析模型,實(shí)現(xiàn)了各荷載作用下鋼管混凝土板接節(jié)點(diǎn)主管管壁初始斷裂位置、裂紋擴(kuò)展及承載力的預(yù)測(cè)。將有限元模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)研究結(jié)果對(duì)比,驗(yàn)證了該模型的有效性。