摘要：為KT型節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，選取4個(gè)90°環(huán)形加勁的KT型管板節(jié)點(diǎn)開(kāi)展試驗(yàn)研究和數(shù)值分析，討論了節(jié)點(diǎn)的破壞過(guò)程和破壞模式。研究結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)的失效是由主材和環(huán)板的剛度共同作用的結(jié)果，節(jié)點(diǎn)的失效發(fā)生在剛度較弱的部分。當(dāng)環(huán)板尺寸較小時(shí)，節(jié)點(diǎn)的失效表現(xiàn)為“組合變形”，主材發(fā)生凹陷和環(huán)板發(fā)生翹曲。當(dāng)環(huán)板的高度或厚度較大時(shí)，節(jié)點(diǎn)的失效表現(xiàn)為“主材變形”，即主材發(fā)生凹陷而環(huán)板基本不變形。對(duì)比節(jié)點(diǎn)的承載力結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)主材規(guī)格確定后，90°環(huán)板加勁的設(shè)計(jì)存在最優(yōu)值，尺寸過(guò)大的加勁板對(duì)于節(jié)點(diǎn)承載力的提高作用不明顯。最終，通過(guò)回歸分析提出了90°環(huán)板的尺寸設(shè)計(jì)建議范圍。

關(guān)鍵詞：管板節(jié)點(diǎn)；KT型節(jié)點(diǎn)；環(huán)形加勁，破壞形態(tài)；試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ050.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2025）02-0103-04

Study on the failure mechanism of KT tube sheet joints with 90°annular stiffening

LIAN Jiye1，HUANG Wenxuan1，LI Xiaolu2

（1.Guangdong Shunde Power Design Institute Co.，Ltd.，F(xiàn)oshan 528000，Guangdong China；

2.School of Civil Engineering，Luoyang Institute of Science and Technology，Luoyang 471000，Henan China）

Abstract：In order to provide a theoretical basis for the design of KT joints，four KT tube-sheet joints with 90°an?nular stiffener were selected for experimental research and numerical analysis，and the failure process and failure mode of the joints were discussed.The results showed that the failure of the joint was the result of the joint action of the stiffness of the main material and the ring plate，and the failure of the joint occured in the part with weak stiff?ness.When the size of the ring plate was small，the failure of the node was manifested as“combined deformation”，and the main material was dented and the ring plate was warped.When the height or thickness of the ring plate was large，the failure of the node was manifested as“main material deformation”，that was，the main material was con?cave and the ring plate was basically not deformed.Comparing the bearing capacity results of the joint，it was found that when the specification of the main material was determined，there was an optimal value in the design of the stiff?ening of the 90°ring plate，and the oversized stiffener plate had no obvious effect on the improvement of the bearing capacity of the joint.Finally，through regression analysis，the recommended range of size design of the 90°ring plate was proposed.

Key words：tube sheet joints；KT-type joint；ring stiffener；destructive mode；trial

管板節(jié)點(diǎn)因其連接方便的優(yōu)點(diǎn)在輸電塔中得到應(yīng)用[1-2]。對(duì)無(wú)加勁的管板進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)管板節(jié)點(diǎn)的失效以主材發(fā)生凹陷為主[3-4]。因此，加強(qiáng)勁常被用在管板節(jié)點(diǎn)中以提高節(jié)點(diǎn)的承載性能。目前，加強(qiáng)勁在方形管、圓管和鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)中都已有應(yīng)用[5-7]。帶加勁的空心鋼管節(jié)點(diǎn)常被稱(chēng)作環(huán)板節(jié)點(diǎn)。在斷線(xiàn)或強(qiáng)風(fēng)等極端荷載下，加勁會(huì)和主材管壁區(qū)域同時(shí)發(fā)生局部屈曲，造成節(jié)點(diǎn)失效。這也說(shuō)明，節(jié)點(diǎn)的破壞是環(huán)板和節(jié)點(diǎn)主材耦合作用的結(jié)果[8]。在對(duì)環(huán)板進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，90°或者180°環(huán)板常用在單K或90°雙K節(jié)點(diǎn)中[9]，全環(huán)板常用在空間節(jié)點(diǎn)中[10]。研究了90°或180°環(huán)板節(jié)點(diǎn)的受力性能，發(fā)現(xiàn)90°環(huán)形加勁的節(jié)點(diǎn)失效會(huì)表現(xiàn)為環(huán)板和主材同時(shí)變形，或者只有主材變形[11-12]。探討了環(huán)形加勁節(jié)點(diǎn)在輔材軸向力作用下的力學(xué)性能[13-15]，進(jìn)一步探討了多環(huán)板節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能[16-17]。研究表明，環(huán)形加勁與主材連接處在斷線(xiàn)和大風(fēng)等不利工況下會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此連接區(qū)域的焊縫質(zhì)量會(huì)直接影響節(jié)點(diǎn)的性能[18]。研究選取帶90°環(huán)形加勁的KT型節(jié)點(diǎn)為對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)和仿真分析研究節(jié)點(diǎn)的破壞過(guò)程和破壞模式，探討了節(jié)點(diǎn)的破壞機(jī)理，提出了90°環(huán)形加勁的設(shè)計(jì)建議。

1試驗(yàn)概況和有限元建模

1.1試驗(yàn)樣本及測(cè)點(diǎn)布置

管板節(jié)點(diǎn)由主材、輔材、節(jié)點(diǎn)板和螺栓等組成。節(jié)點(diǎn)板沿主材軸向焊接在主材一側(cè)，3根輔材通過(guò)螺栓連接在節(jié)點(diǎn)板上，在平面內(nèi)與主材形成KT形。研究設(shè)計(jì)了4個(gè)試件，表1給出了試件的實(shí)測(cè)尺寸。

1.2材料試驗(yàn)于主材和環(huán)板的應(yīng)力和應(yīng)變分布影響很小。

按照GB/T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》對(duì)試件用到的材料進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)。拉伸試驗(yàn)的樣本與試驗(yàn)材料取自同一批鋼材。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

1.3加載過(guò)程

試驗(yàn)加載過(guò)程分2步進(jìn)行，首先對(duì)主材進(jìn)行均勻加載至設(shè)計(jì)荷載。然后保持主材荷載不變，對(duì)3根輔材按照5∶5∶2的比例進(jìn)行加載，直至試件失效。在加載的過(guò)程中采集位移和應(yīng)變的數(shù)據(jù)，并且拍照記錄試件變形情況。

1.4數(shù)值模擬

采用殼單元shell281在有限元中建立節(jié)點(diǎn)的有限元模型。由于在試驗(yàn)中沒(méi)有觀察到節(jié)點(diǎn)焊縫和螺栓的破壞，在建模過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)化，沒(méi)有建立焊縫模型。對(duì)于螺栓，運(yùn)用耦合單元MPC184，將節(jié)點(diǎn)板和輔材插板上的同一位置的螺栓孔耦合在一個(gè)點(diǎn)上。焊縫和螺栓的簡(jiǎn)化，會(huì)使其附近的應(yīng)力與實(shí)際應(yīng)力分布有所差距，但是根據(jù)圣維南原理，這種簡(jiǎn)化對(duì)

2 KT型節(jié)點(diǎn)破壞過(guò)程和失效模式

圖1給出了試驗(yàn)和仿真分析所得到的節(jié)點(diǎn)承載力結(jié)果和破壞形態(tài)。

由圖1可知，仿真分析和試驗(yàn)結(jié)果能夠較好的吻合，說(shuō)明仿真分析能夠較好地模擬試件的破壞過(guò)程和實(shí)現(xiàn)模式。根據(jù)觀察到的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，KT型節(jié)點(diǎn)的破壞模式可分為2種情況：第1種在加載最終狀態(tài)，試件的主材發(fā)生顯著凹陷，同時(shí)環(huán)板發(fā)生顯著翹曲，如圖1（a）和圖1（b）所示，簡(jiǎn)稱(chēng)“組合變形”。第2種如圖1（c）和圖1（d）所示，試件主材發(fā)生明顯的凹陷而環(huán)板基本不變形，簡(jiǎn)稱(chēng)“主材變形”。圖2顯示了試件KT194×6-60×6應(yīng)變測(cè)試結(jié)果。

由圖2可知，在加載初期，主材和環(huán)板上的測(cè)點(diǎn)應(yīng)變均線(xiàn)性增加，說(shuō)明荷載由主材和環(huán)板共同承擔(dān)；隨著荷載增加，關(guān)鍵位置的測(cè)點(diǎn)均有較大的增幅；最終節(jié)點(diǎn)失效模式表現(xiàn)為“組合變形”。

圖3給出了試件KT194×6-60×10應(yīng)變測(cè)試結(jié)果。

由圖3可知，在加載初期，主材上的測(cè)點(diǎn)應(yīng)變隨著荷載增加而線(xiàn)性增加，而環(huán)板上的測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值很小，均在±0.2με內(nèi)，說(shuō)明由于環(huán)板剛度較大，雖然承擔(dān)了荷載，但是變形很小。隨著荷載增加，主材的測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值迅速增加；但是環(huán)板的測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值只有小幅度的增加，最終節(jié)點(diǎn)失效表現(xiàn)為“主材變形”。

對(duì)比表1中試件的承載力結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)KT194×6-60×10、KT194×6-80×8和KT194×6-100×8這3個(gè)試件均為“主材變形”，三者的承載力結(jié)果非常接近，說(shuō)明當(dāng)節(jié)點(diǎn)的失效表現(xiàn)為“主材變形”后，環(huán)板尺寸承載力的影響很小。

3 KT型節(jié)點(diǎn)90°環(huán)板的設(shè)計(jì)建議

根據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果，進(jìn)行了一系列仿真分析，討論環(huán)板規(guī)格對(duì)節(jié)點(diǎn)破壞模式的影響。為了消除量綱的影響，對(duì)環(huán)板的高度（R）和厚度（tr）這2個(gè)參數(shù)進(jìn)行無(wú)量綱化，令D為主材外徑，T為主材壁厚，取R/D和tr/T為變量。圖4給出了當(dāng)主材規(guī)格確定時(shí)，改變環(huán)板的規(guī)格所得到節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)結(jié)果。

由圖4可知，當(dāng)R/D或tr/T較小時(shí)，節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)表現(xiàn)為“主材變形”。當(dāng)R/D或tr/T增加到一定程度后，節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)表現(xiàn)為“組合變形”，說(shuō)明此時(shí)節(jié)點(diǎn)的破壞會(huì)首先從主材呈現(xiàn)，環(huán)板的影響變?nèi)酢?/p>

根據(jù)試驗(yàn)和仿真分析的結(jié)果，結(jié)合文獻(xiàn)[11]中承載力計(jì)算公式，研究通過(guò)回歸分析得到環(huán)板尺寸的建議設(shè)計(jì)范圍如下：

圖4給出了式（1）的計(jì)算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)式（1）能夠較好地預(yù)估節(jié)點(diǎn)的失效模式。當(dāng)節(jié)點(diǎn)尺寸滿(mǎn)足式（1）時(shí)，節(jié)點(diǎn)將表現(xiàn)為主材變形；當(dāng)節(jié)點(diǎn)尺寸不滿(mǎn)足式（1）時(shí)，節(jié)點(diǎn)將表現(xiàn)為組合變形。在對(duì)管板節(jié)點(diǎn)進(jìn)行90°環(huán)形加勁設(shè)計(jì)時(shí)，建議節(jié)點(diǎn)的尺寸滿(mǎn)足式（1），使節(jié)點(diǎn)的破壞表現(xiàn)為組合變形，避免尺寸過(guò)大的環(huán)板對(duì)材料的浪費(fèi)。

4結(jié)語(yǔ)

（1）節(jié)點(diǎn)的失效是由主材和環(huán)板剛度共同作用的結(jié)果，節(jié)點(diǎn)的失效發(fā)生在剛度較弱的部分。當(dāng)環(huán)板尺寸較小時(shí)，節(jié)點(diǎn)的失效表現(xiàn)為“組合變形”，主材發(fā)生凹陷和環(huán)板發(fā)生翹曲。當(dāng)環(huán)板的高度或厚度較大時(shí)，環(huán)板的剛度足夠，節(jié)點(diǎn)的失效會(huì)從主材開(kāi)始，表現(xiàn)為主材凹陷而環(huán)板基本不變形，即“主材變形”；

（2）當(dāng)主材規(guī)格確定后，持續(xù)增加環(huán)板的高度或者厚度，只能單方面的增加環(huán)板的剛度，而節(jié)點(diǎn)最終均會(huì)從主材發(fā)生失效，環(huán)板的材料不能得到充分的利用，會(huì)造成材料的浪費(fèi)；

（3）通過(guò)回歸分析提出90°環(huán)形加勁設(shè)計(jì)建議。建議節(jié)點(diǎn)的尺寸滿(mǎn)足式（1），使節(jié)點(diǎn)的破壞表現(xiàn)為組合變形，避免尺寸過(guò)大的環(huán)板對(duì)材料的浪費(fèi)。

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（責(zé)任編輯：平海，蘇幔）