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        槽鋼加強T形圓鋼管節(jié)點的軸向承載性能研究*

        2022-07-27 03:24:28
        工業(yè)建筑 2022年4期
        關(guān)鍵詞:槽鋼支管主管

        白 楊 祝 磊 王 喆

        (1.北京未來城市設(shè)計高精尖創(chuàng)新中心,北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院, 北京 100044;2.北京建筑大學(xué)工程結(jié)構(gòu)與新材料北京市高等學(xué)校工程研究中心, 北京 100044;3.北京建筑大學(xué)北京市建筑結(jié)構(gòu)與環(huán)境修復(fù)功能材料重點實驗室, 北京 100044;4.中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院,北京 100048)

        0 引 言

        圓鋼管結(jié)構(gòu)具有良好的力學(xué)性能,較輕的結(jié)構(gòu)重量,以及簡潔優(yōu)美的造型。隨著鋼管結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展,其應(yīng)用范圍越來越廣,鋼管結(jié)構(gòu)不僅應(yīng)用在海洋平臺、橋梁、塔桅和起重機械工程中,而且應(yīng)用于工業(yè)廠房、飛機庫、體育館、展覽館和商場等眾多工業(yè)與民用建筑工程。與鋼管構(gòu)件相比,節(jié)點部分承受更復(fù)雜的應(yīng)力,主管極易發(fā)生局部屈曲或屈服破壞而失效,所以管節(jié)點作為鋼管結(jié)構(gòu)中的薄弱部位,為了提高管節(jié)點的靜力性能,一般需要對管節(jié)點的相貫部位實施加固措施來提高主管在徑向的剛度和強度,進(jìn)而達(dá)到提高管節(jié)點承載力的目的。

        圓鋼管節(jié)點的加強方式可按照其加強的位置分為內(nèi)部加強以及外部加強兩種方式,其中內(nèi)部加強方式又包括了內(nèi)加勁環(huán)[1]、混凝土填充[2]、以及加厚主管壁厚[3]等,外加方式則包括外加勁環(huán)[4]、外加勁肋[5]、墊板[6]、環(huán)口板[7]以及FRP[8]等方式。

        本文采用了一種利用槽鋼進(jìn)行鋼管節(jié)點加強的連接形式,如圖1所示,將槽鋼兩腰橫跨在主管上,支管焊接在槽鋼頂面,并用鋼板封住兩端,滿足防火防銹的構(gòu)造要求[9]。利用槽鋼加固的節(jié)點具有減少造價、施工方便的優(yōu)點。

        圖1 槽鋼加固T形節(jié)點詳圖

        本文首先利用ABAQUS有限元軟件模擬3組外加勁肋加強T形節(jié)點的試驗,通過對比結(jié)果,驗證了有限元分析方法對于分析此類問題的準(zhǔn)確性,進(jìn)而利用ABAQUS軟件模擬三組不同支管與主管外徑比的槽鋼加強的T形節(jié)點,分析不同槽鋼型號以及槽鋼不同長度對節(jié)點承載力和變形特性的影響。

        1 有限元模擬T形加勁肋節(jié)點試驗

        試驗具體情況見文獻(xiàn)[10]。該試驗共3組6個不同支管與主管外徑比的T型圓鋼管節(jié)點,組內(nèi)以是否帶外加勁肋進(jìn)行區(qū)別,帶外加勁肋試件詳見圖2。在主管兩端各焊接一塊方形鋼板,架立在試驗臺上,在支管頂部端板施加軸向荷載,直至節(jié)點破壞。通過對比試驗數(shù)據(jù)來探究外加勁肋加固方式對于節(jié)點承載力的提高效果。

        圖2 帶外加勁肋T形節(jié)點

        1.1 模擬方案

        本文運用ABAQUS建模,材料均視為各向同性,忽略了焊接殘余應(yīng)力的影響。選用了減縮積分的四節(jié)點曲面薄殼S4R單元,所有鋼材采用理想彈塑性,服從Mises屈服準(zhǔn)則,同時考慮了材料非線性和幾何非線性。另外,單獨創(chuàng)建各個部件,并將其用Merge合并在一起來模擬各部件之間的焊接,相貫的焊縫部位厚度取0.1t1,模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確[11]。模型中主管和支管加上了剛性端板,在其中心處取參考點與端板進(jìn)行耦合約束,方便施加邊界條件、荷載以及查看結(jié)果。設(shè)置邊界條件時,主管一端認(rèn)為是完全鉸接,另一端釋放軸向位移。支管端部約束面外位移,保證支管只產(chǎn)生軸向位移。將50 mm軸向壓縮位移施加在支管端部,計算并查看結(jié)果。本模擬采用自由劃分網(wǎng)格方式,以T3節(jié)點為例,根據(jù)模型的尺寸和形狀,設(shè)置網(wǎng)格種子尺寸為10 mm,最終劃分的網(wǎng)格總數(shù)為23 976。網(wǎng)格劃分后的效果如圖3所示。

        圖3 試驗T3節(jié)點有限元模型

        1.2 與試驗結(jié)果對比

        1.2.1荷載-位移曲線對比

        為了對比極限承載能力,圖4給出了6個節(jié)點在支管受到軸向壓力下的試驗和有限元模擬的荷載-位移曲線,其中位移為節(jié)點凹陷值,即支管端板位移與主管底部跨中位移的差,荷載為施加在支管頂部端板上軸向荷載的大小??梢钥闯?在荷載-位移曲線初期,節(jié)點處于彈性變形階段,有限元模擬的結(jié)果與試驗的吻合度較高。在荷載-位移曲線峰值點過后,節(jié)點很快進(jìn)入塑性變形,由于實際節(jié)點的變形情況較為復(fù)雜,有限元模擬的結(jié)果與試驗有一定出入。表1給出了試驗和有限元模擬的極限承載力的對比,可以看出有限元模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確。

        a—T1;b—T2;c—T3;d—T4;e—T5;f—T6。

        表1 試驗和有限元模擬結(jié)果的極限承載力對比

        1.2.2變形對比

        在ABAQUS可視化模塊中可以看到節(jié)點的變形情況,通過對比可以看出有限元模擬與試驗結(jié)果的節(jié)點凹陷程度和主管變形相似,破壞模式相同,說明有限元的分析是可靠準(zhǔn)確的。以T6節(jié)點的有限元模擬與試驗節(jié)點變形對比為例,見圖5。

        a—有限元;b—試驗。

        2 有限元模擬T形槽鋼加強節(jié)點

        由于對T形槽鋼加強節(jié)點沒有進(jìn)行試驗,因此需用相似節(jié)點來類比驗證。T形外加勁肋節(jié)點與T形槽鋼節(jié)點的整體結(jié)構(gòu)、邊界條件以及加載方式十分相近,因此可以通過模擬T形加勁肋節(jié)點驗證有限元模擬的準(zhǔn)確性,并以此作為分析方式模擬T形槽鋼節(jié)點。且外加勁肋節(jié)點支管與主管間存在相貫的空間曲線,而槽鋼節(jié)點的相貫線為平面曲線,節(jié)點區(qū)域更簡單,因此有限元模擬結(jié)果可供參考。

        2.1 模型介紹

        采用槽鋼加強T形節(jié)點的靜力受壓承載力的模擬分為3組進(jìn)行,其支管與主管外徑比β分別為0.25、0.5和0.75,每組從槽鋼表中分別選取不同型號的槽鋼進(jìn)行模擬分析,通過承載力及破壞模式的對比來探究不同槽鋼對節(jié)點的加強作用。試件構(gòu)造詳圖見圖6。圖中:t0為鋼管厚度;d0為主管直徑;l0為主管長度;d1為支管直徑;l1為支管長度;h為槽鋼高度;b為槽鋼腿寬;t為槽鋼腿厚;d為槽鋼腰厚;s為槽鋼長度。

        圖6 T形槽鋼加強節(jié)點詳圖

        2.2 槽鋼型號的影響

        2.2.1模擬過程

        采用鋼材Q345, 屈服強度fy=345 MPa,彈性模量E=206 GPa, 材料假定為理想彈塑性材料, 服從 Mises 屈服準(zhǔn)則和塑性流動法則。本次模擬中每組的主管長度l0均取1 800 mm,直徑d0均取300 mm,主管以及支管的厚度t0均取8 mm,槽鋼尺寸遵循GB/T 706—2016《熱軋型鋼》,槽鋼封口的兩塊鋼板厚度取值同槽鋼腿厚,槽鋼長度與槽鋼高度取值相同,其余尺寸見表2。當(dāng)β=0.75時,只模擬了一種加強節(jié)點,原因是支管直徑較大,選用[25c的槽鋼高度可以滿足,但此時槽鋼的表面僅高出主管1 cm左右,而選用更大型號槽鋼時,槽鋼表面將與主管接觸,所以無法再選取其他型號槽鋼。其中TC1、TC4、TC7分別為β為0.25、0.5和0.75的未加強節(jié)點。網(wǎng)格種子尺寸均設(shè)為10 mm,以TC3節(jié)點為例,最終劃分的網(wǎng)格總數(shù)為21 751,網(wǎng)格劃分后的效果如圖7所示。

        表2 節(jié)點模型的尺寸參數(shù)

        圖7 槽鋼加固節(jié)點有限元模型

        2.2.2破壞模式對比

        模型的創(chuàng)建、邊界條件、支管與主管端部的剛性支撐、網(wǎng)格劃分以及荷載的施加都同T形加勁肋節(jié)點的模擬過程。TC1~TC8的節(jié)點變形如圖8所示??梢钥闯?,槽鋼加強節(jié)點的破壞模式主要分為兩種,即主管的變形破壞以及槽鋼下陷。

        a—TC1~TC3節(jié)點變形;b—TC4~TC6節(jié)點變形;c—TC7、TC8節(jié)點變形。

        由此可見,未加強節(jié)點的破壞模式為主管的塑性變形,而槽鋼加強的節(jié)點有兩種變形情況,即主管的塑性變形和槽鋼表面下陷。在實際工程應(yīng)用中,相對于主管變形,槽鋼變形更有利于節(jié)點的繼續(xù)承載和整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,所以更希望出現(xiàn)槽鋼破壞的情況。通過圖8對比可以看出,加強節(jié)點都在一定程度上改善了主管上翼緣面的變形。

        2.3 荷載-位移曲線對比

        取支管頂部位移與主管底部中心位移的差作為橫坐標(biāo)來表示節(jié)點的變形程度,縱坐標(biāo)為對應(yīng)時刻的荷載,為方便對比,將同一組節(jié)點的荷載-位移曲線繪制在一起,見圖9。可見,TC3和TC6曲線波動較大,這是因為變形主要以槽鋼的下陷為主,導(dǎo)致位移比較大。關(guān)于節(jié)點承載力的判斷準(zhǔn)則,文獻(xiàn)[12]認(rèn)為是在節(jié)點凹陷變形量為主管外徑的3%時的荷載值,Vegte將主管截面變形量指標(biāo)修正到0.06d0[13-14]。對比峰值荷載和0.06d0的極限變形荷載,若峰值荷載對應(yīng)位移小于極限變形,則以峰值荷載為極限荷載,否則取0.06d0的極限變形荷載。

        a—第一組節(jié)點;b—第二組節(jié)點;c—第三組節(jié)點。

        將本次模擬用于探究槽鋼型號影響的TS1~TS16模型的極限承載力列于表3,令加強型節(jié)點對比未加強型節(jié)點承載力提高系數(shù)為Ψ(Ψ=Fu,s/Fu),其中Fu,s為加強型節(jié)點的極限承載力,F(xiàn)u為對應(yīng)具有相同幾何尺寸參數(shù)的未加強型節(jié)點的極限承載力。表中a、b代表兩種破壞形態(tài),其中,a為主管變形,b為槽鋼變形狀態(tài),由于各模型中均出現(xiàn)了主管的塑性變形,所以當(dāng)出現(xiàn)槽鋼下陷情況時,則判斷為b。圖10和圖11分別為β等于0.25和0.5時,槽鋼型號的變化對節(jié)點承載力提高系數(shù)Ψ的影響。

        圖10 槽鋼型號對承載力提高系數(shù)的影響(β=0.25)

        圖11 槽鋼型號對節(jié)點承載能力提高系數(shù)影響(β=0.5)

        由表3可見,使用槽鋼加強的節(jié)點極限承載能力都要比未加強節(jié)點高,并且隨著槽鋼型號的改變,槽鋼高度隨之增大,極限荷載先是逐漸升高,后逐漸降低,降低的原因是槽鋼高度過大,導(dǎo)致槽鋼表面下陷程度嚴(yán)重,很容易被壓潰,導(dǎo)致在達(dá)到極限變形時的荷載減小,但仍然大于未加強節(jié)點。當(dāng)β為0.25時,承載力最大提高了252%,最少提高了130%;β為0.5時,承載力最大提升了203%,最少提升了133%;β為0.75時,僅選用[25c槽鋼進(jìn)行加固模擬,承載力提高了133%。3組模型的破壞模式都先是主管變形,當(dāng)槽鋼增大到某一型號時,伴隨軸向壓力的增大,槽鋼也發(fā)生下陷。綜合承載力及變形情況,在實際工程應(yīng)用中,應(yīng)根據(jù)不同的需求選擇適中大小的槽鋼,既能提高其承載力,又能減小主管變形程度。

        表3 各模型的極限承載力及破壞模式

        2.4 長度的影響

        在上文模擬的節(jié)點模型中槽鋼長度s均與槽鋼高度h取值相同,現(xiàn)探究槽鋼長度對承載能力以及變形的影響。選用β=0.5、[22b槽鋼進(jìn)行模擬,建模過程以及后處理均不改變,僅改變長度s,將s由180 mm(間隔20 mm)逐漸遞增到260 mm,得到計算結(jié)果。表4列出了極限承載力數(shù)據(jù)的比較,圖12為槽鋼長度對節(jié)點承載力提高系數(shù)Ψ的影響。

        表4 不同槽鋼長度下極限承載力及變形對比

        圖12 槽鋼長度對節(jié)點承載力提高系數(shù)Ψ的影響

        由此可知,槽鋼長度對承載力和破壞模式都有較大影響。當(dāng)β=0.5,選用[22b槽鋼時,隨長度增加,極限承載力先由212%逐漸降低到142%,破壞模式也由主管變形轉(zhuǎn)變?yōu)椴垆撓孪荨?/p>

        3 結(jié)束語

        本文完成了槽鋼加強的新型節(jié)點的有限元模擬,研究了在軸向壓縮荷載下槽鋼加強節(jié)點對承載力和變形的影響。得到以下結(jié)論:

        1)采用ABAQUS有限元軟件模擬得到荷載-位移曲線和節(jié)點變形特征,其與試驗結(jié)果都較為吻合。說明用此種有限元模擬方法解決這類問題是可靠的。

        2)采用槽鋼進(jìn)行節(jié)點加固,能夠提高承載力,改善變形情況。在槽鋼長度與高度相等的情況下,隨著槽鋼型號的增大,槽鋼高度增加,極限承載力先提高后降低,但仍高于未加固節(jié)點。3組破壞形式均由主管變形發(fā)展為以槽鋼下陷為主。

        3)對于同一槽鋼型號,隨著槽鋼長度的增加,極限承載能力逐漸減小。以β為0.5時,選用[22b槽鋼為例,長度從180 mm增長到260 mm(以20 mm為單位)時,極限承載能力的提升由212%逐漸減小到142%,并且隨著長度增加破壞模式由主管變形轉(zhuǎn)變?yōu)椴垆摫砻嫦孪荨?/p>

        4)實際工程應(yīng)用中,可以采用槽鋼連接圓鋼管節(jié)點,能夠較大程度上提高節(jié)點承載力,改善節(jié)點變形情況。槽鋼型號的選取原則為:當(dāng)支管直徑、長度較小時,槽鋼高度h與支管直徑d1的比值在1.3左右;當(dāng)支管較大時,選取的槽鋼型號中槽鋼高度h與支管直徑d1的比值在2.0左右。槽鋼的長度在滿足大于支管直徑和其他實際應(yīng)用時結(jié)構(gòu)要求的同時,要盡可能地縮短,這樣可以更有效提高槽鋼連接方式對鋼管節(jié)點的加強。

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