鄧 婷 (廣州華特建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)事務(wù)所，廣東 廣州 510641)

1 引言

圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)是由主管貫通，支管切成相貫線形狀與主管直接焊接而成的節(jié)點(diǎn)，主支管交匯處形成了空間三維薄壁結(jié)構(gòu)，應(yīng)力分布十分復(fù)雜，而要得到節(jié)點(diǎn)承載力的精確理論解析幾乎是不可能的。理論分析的正確與否必須通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。試驗(yàn)研究是進(jìn)行鋼管相貫節(jié)點(diǎn)性能研究的重要、有效且不能缺少的途徑及方法。然而，小尺寸試件的試驗(yàn)難以模擬實(shí)際工程中節(jié)點(diǎn)的焊縫、殘余應(yīng)力、局部缺陷的影響。因此，大比例或足尺試件的試驗(yàn)研究就更具有意義。

本文對(duì)4個(gè)鋼管相貫節(jié)點(diǎn)，其中包括1個(gè)普通K型節(jié)點(diǎn)、3個(gè)套箍加強(qiáng)K型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了靜力單調(diào)加載的足尺試驗(yàn)。試驗(yàn)加載裝置采用50t MTS作動(dòng)器，材性試驗(yàn)及節(jié)點(diǎn)承載力試驗(yàn)均在廣東工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室完成。本文將對(duì)4個(gè)圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)方案、裝置、過(guò)程和試驗(yàn)現(xiàn)象、結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的介紹，并把試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證理論分析的正確性。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)1個(gè)鋼管相貫K型節(jié)點(diǎn)、3個(gè)套箍加強(qiáng)K型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行靜力單調(diào)加載，達(dá)到以下目的：

①確定不同類型的相貫節(jié)點(diǎn)的極限承載力，與套箍加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)承載力進(jìn)行對(duì)比；

②研究各種節(jié)點(diǎn)的受力性能，觀察各種節(jié)點(diǎn)的破壞性狀及特征；

③補(bǔ)充試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的足尺試驗(yàn)數(shù)據(jù)，推進(jìn)國(guó)內(nèi)對(duì)相貫節(jié)點(diǎn)的足尺試驗(yàn)研究；

④為同類鋼結(jié)構(gòu)工程提供可供參考的設(shè)計(jì)依據(jù)。

2.2 節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)試件的主管和支管均為圓形截面鋼管，試件共有4組。K1節(jié)點(diǎn)為對(duì)比試件，K2、K3、K4均為套箍加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，各參數(shù)詳見(jiàn)下表。

設(shè)計(jì)試件為4組，可得到三個(gè)對(duì)比組：

①試件K1與K2對(duì)比組主支管尺寸相同，K2節(jié)點(diǎn)增設(shè)套箍；

②試件K2與K3對(duì)比組的不同在于支管直徑不同，K3支管直徑較大，相應(yīng)套箍長(zhǎng)度較長(zhǎng)；

③試件K3與K4對(duì)比組的不同在于支管壁厚不同，K4支管壁厚較大。

2.3 加載方案

試件采用的是足尺試件，為了實(shí)現(xiàn)兩支管分別承受軸向拉力與軸向壓力，支管端部采用鉸接連接，鉸接的實(shí)現(xiàn)采用銷軸鉸接，底部安裝剪力鋼梁與地面固結(jié)，承擔(dān)由MTS傳來(lái)的水平剪力，MTS作動(dòng)器最大加載荷載為500kN。MTS作用頭與主管端板連接傳遞水平剪力，主管頭承擔(dān)壓力。MTS反力由結(jié)構(gòu)反力墻提供。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)中K1與K2節(jié)點(diǎn)均達(dá)到了極限承載力，并觀察到了節(jié)點(diǎn)破壞模式。由于MTS作動(dòng)器頭可以發(fā)生一定的轉(zhuǎn)動(dòng)，而試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)缺少了一定的平面外約束，當(dāng)節(jié)點(diǎn)受力較大時(shí)，節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)生平面外轉(zhuǎn)動(dòng)，K3與K4節(jié)點(diǎn)因發(fā)生平面外扭轉(zhuǎn)均未達(dá)到極限承載力，但是根據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果得到了節(jié)點(diǎn)的彈性剛度，可作為有限元模擬準(zhǔn)確性的判斷依據(jù)，并為后續(xù)有限元擴(kuò)大補(bǔ)充分析提供一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖1 K1節(jié)點(diǎn)大樣圖

圖2 套箍加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)大樣圖

3.1 K1節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果

K1節(jié)點(diǎn)未設(shè)置套箍，此時(shí)節(jié)點(diǎn)的破壞模式為主管在節(jié)點(diǎn)區(qū)域出現(xiàn)明顯的彈塑性變形，受壓支管與主管交接處主管壁發(fā)生壓縮變形，而主管受拉區(qū)域出現(xiàn)鼓曲，為典型的主管屈曲破壞。隨后主支管交接處應(yīng)變片發(fā)生屈服，而支管與主管均未屈服。該節(jié)點(diǎn)能承受最大水平力為266kN。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得到如圖4所示K1節(jié)點(diǎn)力與位移關(guān)系曲線。

3.2 K2節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果

K2的試驗(yàn)破壞模式與K1之間有明顯的不同，K2節(jié)點(diǎn)主管管壁并未出現(xiàn)明顯的變形，根據(jù)應(yīng)變片測(cè)量結(jié)果，主管上應(yīng)變均未屈服，K2支管首先達(dá)到屈服，承載能力接近MTS極限荷載，為了保護(hù)試驗(yàn)設(shè)備，在支管屈服后，并未再繼續(xù)增加荷載。最終承載力為471kN，節(jié)點(diǎn)力與位移關(guān)系曲線詳見(jiàn)圖5所示。

圖4 K1節(jié)點(diǎn)力與位移關(guān)系曲線

圖5 K2節(jié)點(diǎn)力與位移關(guān)系曲線

3.3 K3、K4節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果

由于MTS最大承載能力有限，而加載后期出現(xiàn)較大平面外轉(zhuǎn)動(dòng)，本次試驗(yàn)僅收錄節(jié)點(diǎn)彈性段的力與位移值。K3、K4的初始節(jié)點(diǎn)剛度曲線如圖6、7所示。

圖6 K3節(jié)點(diǎn)力與位移關(guān)系曲線

圖7 K4節(jié)點(diǎn)力與位移關(guān)系曲線

3.4 剛度對(duì)比

對(duì)比K1與K2節(jié)點(diǎn)可以得出，增加套箍后節(jié)點(diǎn)剛度增加74%，套箍的存在相當(dāng)于提高了對(duì)支管的約束度，限制了支管與主管交接處的變形。對(duì)比K3與K4節(jié)點(diǎn)可以得到在采用相同套箍的情況下，支管的壁厚較大，拉壓管的軸向剛度也越大，相對(duì)于K3節(jié)點(diǎn)，K4節(jié)點(diǎn)剛度提高了23%。

3.5 承載力對(duì)比

由于試驗(yàn)過(guò)程中僅K1與K2節(jié)點(diǎn)達(dá)到了極限狀態(tài)，K1節(jié)點(diǎn)的最大承載力為 266kN，K2節(jié)點(diǎn)的極限承載力為471kN，增設(shè)套箍后，節(jié)點(diǎn)承載力增加了77%。

普通K型相貫節(jié)點(diǎn)的傳力路徑為支管——主支管連接焊縫——主管，主支管連接的重要位置除存在應(yīng)力集中的問(wèn)題外，節(jié)點(diǎn)處也因焊縫對(duì)于主管的削弱較大。增設(shè)套箍后，節(jié)點(diǎn)的傳力路徑為支管——支管與套箍的連接焊縫——套箍——套箍與主管的焊縫——主管，大大緩解了原節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中問(wèn)題，明顯減小了連接處對(duì)主管截面的削弱。破壞型式由節(jié)點(diǎn)區(qū)域主管破壞轉(zhuǎn)為支管屈曲破壞，符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)理念。

4 有限元校核

本文利用大型非線性有限元分析軟件ABAQUS對(duì)四組試驗(yàn)試件進(jìn)行了數(shù)值分析，由于試驗(yàn)中K3、K4節(jié)點(diǎn)均未達(dá)到極限狀態(tài)，本文將K1與K2節(jié)點(diǎn)有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果作了對(duì)比分析，再通過(guò)數(shù)值模擬K3及K4的節(jié)點(diǎn)剛度得到其極限承載力以補(bǔ)充試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖8 K3節(jié)點(diǎn)有限元分析結(jié)果

圖9 K4節(jié)點(diǎn)有限元分析結(jié)果

通過(guò)有限元數(shù)值分析可得，剛度有限元值與剛度實(shí)驗(yàn)值基本接近。此外，根據(jù)有限元數(shù)值分析結(jié)果，K1節(jié)點(diǎn)破壞模式與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，均是由于連接處主管的屈曲破壞。K2節(jié)點(diǎn)因支管屈服發(fā)生破壞，亦與試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

K3與K4節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)均未達(dá)到極限狀態(tài)，通過(guò)有限元數(shù)值分析可得到節(jié)點(diǎn)破壞模式，如圖8、圖9所示，K3節(jié)點(diǎn)因支管屈曲發(fā)生破壞，K4節(jié)點(diǎn)因主管受壓端屈曲而發(fā)生破壞。這是因?yàn)橄噍^于K3節(jié)點(diǎn)，K4節(jié)點(diǎn)支管壁厚加厚，支管剛度有一定的提高。

5 結(jié)論

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及有限元分析結(jié)果可知，普通K型相貫節(jié)點(diǎn)設(shè)置套箍加強(qiáng)后，節(jié)點(diǎn)區(qū)受力有了明顯變化：

①增大了主管的受荷面積以及主管的壁厚，明顯減小主管的局部變形；

②荷載的傳遞途徑從支管——主管變?yōu)橹Ч堋坠俊鞴?，改善了主管的受力性能，減少了節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；

③節(jié)點(diǎn)的破壞形式由節(jié)點(diǎn)區(qū)轉(zhuǎn)移到支管或主管受壓區(qū)；

④設(shè)置適當(dāng)尺寸的套箍能夠有效提高K型相貫節(jié)點(diǎn)的承載力，同時(shí)明顯增加節(jié)點(diǎn)支管的剛度。