环口板加固T型圆钢管极限承载力的试验研究

张宝峰 邵 鹏 申传瑞 张平霞

(1.山东科技大学，山东 青岛 266590； 2.中煤邯郸中原建设监理咨询有限责任公司，山东 青岛 266590)

环口板加固T型圆钢管极限承载力的试验研究

张宝峰1邵 鹏1申传瑞1张平霞2

(1.山东科技大学，山东 青岛 266590； 2.中煤邯郸中原建设监理咨询有限责任公司，山东 青岛 266590)

为研究环口板的加固效果，对5个T型圆钢管试件支管处施加轴向压力，试验分析了加固、环口板加固及伤损再加固后钢管的极限承载力，试验结果表明：环口板可以有效的提高主支管节点处的刚度，提高试件的承载力，对于不同程度的伤损试件，环口板依然有着可观的加固效果。

T型圆钢管，环口板，震损，加固，静力实验

0 引言

管结构是指全部或部分使用钢管的结构体系。因自重小、易施工、经济美观等优点被广泛应用于现代结构中[1-4]。但是管结构也有自身的缺点，由于空心壁薄的特点，管结构的径向刚度通常远远小于其轴向刚度，所以在受到支管处的荷载时，破坏模式通常是主支管焊缝处的局部屈服和局部屈曲。

为提高管结构的承载力，在节点处进行加固。管结构的加固大致上分为内加固和外加固两种，内加固包括内置插板、内置加劲环以及主管壁加厚等。文献[5]对内置插板的性能做了试验与理论分析。文献[6][7]分析了内置加劲环的受力性能。文献[8][9]研究了节点处的管壁加厚对节点的性能影响。这几种方式不影响结构的整体美观，但施工难度较大，且无法对服役期间的结构进行加固。外加固包括垫板加固和环口板加固两种。文献[10]～[12]对垫板加固的优缺点通过试验与模拟的方式做了比较透彻的分析。国内外对于前者研究的比较透彻，而对于后者的研究较少。

环口板加固方法施工简单，加固效果明显，而且相对于其他加固方式最大的优点就是可以对服役期间的结构进行加固[13，14]。本文就对未加固、加固以及伤损的钢管进行静力试验，研究环口板加固的效果和优缺点。

1 试验设置

1.1 试件制作

对于试验中使用的T型圆钢管试件，主支管通过焊接连接在一起。主支管之间位于相贯线处的焊缝采用坡口熔透焊的形式，焊接前将支管进行坡口切割，然后焊接在一起，如图1所示。

环口板与主管和支管之间的焊缝都采用角焊缝。采用超声波技术对 T 节点试件相贯处的坡口熔透焊缝进行了检测。试件尺寸图如图2所示。

1.2 试件尺寸

试验中对5个试件进行静力加载，其中编号为1号，3号，4号，5号的为未加固的T型节点试件，编号为2号的为同等尺寸的环口板加固试件。

为了保证试验数据的准确性，对试验的试件进行了材料性能试验。试件的主管、支管以及环口板使用的都是同一批次的成品管件，测试方法依据国家标准GB/T 228—2002金属材料室温拉伸试验方法的有关规定进行，所得数据结果如表1所示。

表1 材料性能表

1.3 试验加载方式

所有的试件都是在FCS液压伺服器上进行的。在伺服器中间位置，即作动头正下方放置加载支座，对齐正上方，在加载支座上部使用螺丝固定住圆拖板，把试件放在固定支座上，为了保证试验过程中试件不会转动，在试件底部开一个小洞，使用螺丝把试件固定在固定支座上。

加载过程中，伺服器作动头直接接触试件的支管端部，对T型试件进行加载。由于固定支座的存在，试件不会产生整体的轴向位移，因此，忽略支管轴向变形的情况下，T型试件支管端部的位移就可以认为是主管的凹陷位移。试验过程如图3所示。

2 试验结果与分析

2.1 试验过程及现象

为了方便对比环口板的作用，对1号和2号直接进行完全破坏。为了检测环口板对服役期间的节点的加固效果，分别把3号、4号和5号压至0.53，1.0和1.4倍的Δu，然后焊接与2号相同尺寸的环口板，再完全压坏，对比2号的性能即可得出结论。0.53是试件达到屈服强度时的位移与极限强度位移之比，Δu通过1号的图形可以得知。试验刚开始时使用荷载控制，加载力度为30 kN/min，观察曲线，试件进入塑性后改用位移控制，加载力度为7 mm/min直至试验结束。

图4a)，图4b)是试件1号和2号在轴向荷载作用下的破坏模式。图中可以看出，未加固试件1号的破坏是在主支管焊缝处沿着焊趾处的局部凹陷破坏，这是因为试件支管的轴向刚度要远远大于主管的径向刚度。环口板加固的试件2号的破坏则是转移到了环口板与主管处焊缝为轮廓线的局部凹陷变形，增大了变形的轮廓和凹陷的整体面积。

图4c)～图4e)为试件3号、4号和5号加固后的破坏形式，由于试件在加固前先进行震损，产生了一定的变形，所以在进行加固时环口板要进行适当的敲打以符合主管径向的尺寸。试件的变形基本是围绕在环口板与主管的焊缝处附近。

2.2 试验结果分析

画出每个试件的荷载—位移曲线。把每一个试件的曲线中有下降段时图中的最高点作为极限承载力。

图5a)是T型试件1号和2号的荷载—位移曲线，从图中可以看出2号的极限承载力要明显高于1号，这表明环口板在T型试件中的加固效果非常好，其中1号的极限承载力为116 kN，2号的极限承载力为182 kN，比1号高出了57%，加固效果明显。图5b)为试件3号、4号和试件5号与1号对比的荷载—位移曲线，图形基本重合，表明加工时比较规范，试件材料性能基本一致。图5c)为试件3号、4号和5号在震损后加固的荷载—位移曲线。对比可知，环口板对工作服役期间的T节点仍然有不错的加固效果。

对于未加固的试件，其破坏是主支管焊趾处的局部屈服破坏，事实上就是在焊趾周围形成了一圈塑性铰，如图6a)所示。在节点达到极限承载力时，节点产生凹陷破坏，弯矩达到塑性极限弯矩，并由此产生转动，形成了塑性铰。对于加固的试件，破坏形式则是环口板与主管处的焊趾为轮廓产生的凹陷变形，形成了相对于未加固试件更长的塑性铰线，如图6b)所示。

由虚功原理可知，施加在支管上的轴向荷载P在支管上运动轴向虚位移Δu所做的功等于塑性铰因转动所产生的功，即：

P·Δu=M·L·φ

(1)

其中，塑性极限弯矩M=0.25·fy·t0，t0为定值；L为塑性铰的总长度；φ为塑性铰的转动角度。在发生相同凹陷破坏时塑性铰的转动角度φ相同，此时环口板加固的试件因塑性铰长度L变长，所以所能承受的荷载P就更大。本质上环口板加固法是加长了结构屈服产生的塑性铰线的长度进而增加承载力的。

对于试件3号、4号，在受到伤损的过程中由于没有达到极限承载力，并没有形成试件1号那样闭合的塑性铰线。在加固后由于环口板的作用形成了闭合的长塑性铰线，提高了承载力。试件5号在震损阶段被压到1.4倍的Δu，已经在焊趾处形成了闭合的塑性铰线，大小与1号一样。卸载加固后虽然会在环口板处形成新的塑性铰，但是由于试件在前一阶段已经部分进入了塑性，形状发生了变化，加固后承载力不如试件3号和4号提高的那样明显。

3 结语

通过对5个T型试件在静力荷载作用下的试验可以得出以下结论：

1)环口板可以改变T型支管的破坏模式，把塑性铰线转移到更大的范围内，故而有效的提高了T型管节点的静承载力。2)T型试件在受到一定程度的震损以后再进行环口板加固，依然可以有效的提高节点的承载力。试件受到的震损程度越小加固效果越好。

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Abstract: In order to research the consolidation effect of the collar plate, the paper implements the axial pressure of the five T-shaped circular steel pipe trial connection, analyzes the collar plate consolidation, damages, and extreme loading capacity of the steel pipes, and proves by the test result that the collar plate can improve the stiffness of the joints of pipes effectively, improve the loading capacity of the trials, and indicates the collar plate can have better consolidation effect with damaged trials.

Key words: T-shaped circular steel pipe, collar plate, vibration damage, consolidation, static force test

On tests of extreme loading capacity of T-shaped circular steel pipe of collar plate consolidation

Zhang Baofeng1Shao Peng1Shen Chuanrui1Zhang Pingxia2

(1.ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China; 2.ChinaCoalHandanZhongyuanConstructionInspectionConsultancyCo.,Ltd,Qingdao266590,China)

2016-03-13

张宝峰(1990- )，男，在读硕士； 邵 鹏(1991- )，男，在读硕士； 申传瑞(1991- )，男，在读硕士； 张平霞(1989- )，女

1009-6825(2016)15-0040-03

TU312

A