薄壁钢管混凝土节点板节点剪切破坏研究

黄素清,陈　驹,徐　菲

HUANG Suqing，CHEN Ju，XU Fei

(1.浙江建设职业技术学院,浙江 杭州 311231；2.浙江大学建筑工程学院,浙江 杭州 310058)

节点板连接节点是钢管结构中常见的节点形式,具有节点板可直接焊接在主HH置法兰等优点,在钢管结构中得到了广泛的应用,尤其针对主要受风荷载作用的输电杆塔。随着钢管混凝土主管在输电杆塔中的推广应用,钢管混凝土节点板节点也出现在工程中,例如苏通长江大跨越输电塔结构将采用节点板连接节点。目前，国内外只有针对纯钢管节点板节点设计的相应指南和规范,如AISC[1],EC3[2],CIDECT[3],日本铁塔协会标准[4],架空输电线路钢管塔设计技术规定[5],但尚无针对钢管混凝土节点板节点设计的规范。

随着钢管混凝土在国内外的广泛应用,关于钢管混凝土节点的研究也吸引了国内外的众多研究者。目前钢管混凝土节点的相关研究大致可分为两类,一是高层建筑中的钢管混凝土与钢梁/混凝土梁的节点研究：我国矩形钢管混凝土结构技术规程[6]将内隔板式节点和外隔板式节点列为方钢管混凝土柱与钢梁连接节点的推荐型式,余勇[7],周天华[8],聂建国等[9-10],苗纪奎等[11],宗周红等[12],王文达等[13],霍静思等[14]均展开了对其静力和抗震性能的研究并提出设计理论，开展了半刚性薄壁钢管混凝土端板连接节点研究；薛建阳等[16]开展了矩形钢管混凝土异形柱-钢梁框架节点研究；蒋丽忠等[17]开展了钢管混凝土格构柱-组合随着钢管混凝土结构进一步的扩展应用；新的节点型式不断出现,如王静峰等[15]箱梁节点研究。国际上Kato et al.[18],Azizinamini[19],Alostaz & Schneider[20]Wu et al.[21]开展了多种钢管混凝土与钢梁连接节点的研究。二是 钢管混凝土桥梁/构架等结构中的管接节点,刘永健等[22]开展了对于矩形钢管混凝土相贯节点的研究；陈宝春等[23],童乐为等[24]、陈誉等[25]、李新华等[26]和陈驹等[27]开展了圆钢管混凝土相贯节点的研究；陈以一等[28]和童乐为等[29]基于广州新电视塔开展了梁-立柱-支撑-牛腿焊接节点研究；韩小雷等[30]和方小丹等[31]基于广州西塔开展了钢管混凝土空间相贯节点的研究；李斌等[32]研究了应用于风电塔架的钢管混凝土节点。赵才其等[33]探索了中厚壁、大直径钢管混凝土节点可能存在的层状撕裂问题。曹宝珠等[34]还研究了连接板插入主管的钢管混凝土节点受压性能。国际上Packer[35]提出对于矩形钢管混凝土相贯节点的设计方法,Yoshinaga[36]开展了K型钢管混凝土相贯节点的研究,Feng&Young[37]开展了不锈钢矩形钢管混凝土相贯节点的研究。综上所述,由于强节点弱梁的设计理念,对于高层建筑中的钢管混凝土与钢梁的节点性能主要考虑其抗震性能,而管结构中的相贯节点则主要考虑其拉压弯的性能,特殊结构中的节点一般是为其复杂的工程个案的设计提供参考。对于节点板直接焊接在主管壁上的钢管混凝土节点板节点则未见相关研究。

1　试验研究

试验设计节点板节点轴心受拉试件3个。所有试验节点主管与支管连接方式均为十字插板连接,节点板高度为190mm。各节点试件实测尺寸和试件编号见表1。试件编号中第一个字母表示节点类型,其后的符号“-”后的数字依次表示主管直径、厚度、节点板长度和厚度,字母“A”(Axial)表示轴心轴拉节点,字母“R”表示重复试件,尺寸的单位均为mm。主管尺寸和节点板尺寸分别为300mm×4mm和500mm×12mm。节点示意图见图1。试验采用量程为1000kN的MTS加载设备加载,最大拉伸荷载为980kN。试件加载布置图见图2。

表1　试件实测尺寸和材料标号

表2　试件钢材力学性能

图1　轴心受拉节点几何外形及参数

T型节点轴心受拉试件T-300-4-500-12A和T-300-4-500-12AR最终破坏模式均为主管壁冲剪破坏,见图3。试件T-300-6-500-12A属于受拉支管屈服破坏。冲剪破坏的节点试件在弹性阶段时,焊缝周围主管管壁未出现明显变形,当加载进入弹塑性阶段后,节点主管管壁变形迅速增加,当荷载达到85%极限承载力时，焊缝两端开始出现裂纹,但是此时承载力仍可以继续增加。随着荷载继续增加,裂纹在管壁厚度方向逐渐贯通,焊缝两端出现主管壁冲剪破坏,此时承载力约为98%极限承载力。随着荷载继续增加，焊趾附近主管管壁变形发展迅速,很短时间内节点沿焊缝通长发生冲剪破坏,承载力迅速下降,破坏呈现突然型。表3为轴拉荷载作用下钢管混凝土板接节点承载力及破坏模式,随着主管管壁增厚和节点板长度加大,节点承载力均有不同程度增加。

图2　节点加载装置

图3　节点破坏模式

2　有限元模拟

钢管混凝土板接节点有限元模型采用ABAQUS/Explicit分析模块进行分析。模型中考虑了混凝土材料本构,钢材塑性流动准则、屈服准则、塑性强化准则、失效准则；考虑了钢材与混凝土之间的接触设置,模型单元类型及质量放大因子的影响。钢材本构模型采用原位试件单轴拉伸试验真实应力应变曲线。节点通过简化,加载面定义在节点板上,面积为节点板螺栓孔连线与板上边缘所围成的面积。平面内弯矩荷载作用下的板接节点忽略其螺栓连接影响,将节点支管简化为“刚臂”,与节点板通过“Tie”连接,接触面为节点板螺栓孔连线与板上边缘所围成的面,节点有限元模型力臂长度与实际试件相同。有限元模型按照节点实测尺寸建立,模型网格划分采用分区块划分方法,密集网格划分区域网格边长约为3mm,稀疏网格划分区域网格边长为25mm。内部混凝土网格边长约为15mm。

(1)

图4　MMC模型空间断裂失效面

钢材屈服面采用为Von Mises屈服面,则式(1)可以简化为：

(2)

η为三轴应力比,可表示为：

(3)

(4)

式中:σm为静水压力；

ξ为正态化的第三应力不变量；

θ为Lode角。

3　模拟结果验证

通过有限元分析,得到节点破坏模式为焊趾附近主管壁冲剪破坏。节点有限元模型的破坏模式和裂纹发展均与试验节点一致,说明模型能够准确地反映轴拉荷载作用下板接节点的不同失效模式、失效起始点位置及裂纹开展路径。见图5。

图5　节点有限元模型破坏模式与试验节点破坏模式对比

试件编号Pu A-Test/kNPu-FEA/kNPu-FEA/ PuA-TestT-300-4-500-12A843.7834.20.99T-300-4-500-12AR766.3834.21.09

节点有限元模型计算极限承载力见表5,节点有限元模型计算承载力与试验节点承载力之比误差在10%以内。模型计算结果略大于试验结果,其误差来源于：1)实际试验与模型之间的简化如加载面的简化处理和忽略螺栓连接对承载力的影响等；2)钢管与混凝土之间接触作用的简化；3)模型边界条件的理想化等。总体而言,建立的有限元模型能够相对准确地预测钢管混凝土板接节点轴拉承载力。

4　结　语

通过开展轴拉荷载作用下薄壁圆钢管混凝土十字插板连接节点力学性能试验和有限元数值模拟研究,分析节点的破坏模式、破坏机理和极限承载力等,得出以下结论：

1) 对钢管混凝土T型十字插板节点进行轴心受拉试验研究,试验结果显示T-300-4-500-12A、T-300-4-500-12AR节点为主管管壁冲剪破坏,T-300-6-500-12A节点为支管屈服破坏。不同主管壁厚的T型节点轴拉试验结果表明,冲剪破坏承载力随主管壁厚增加分别显著提高。

2) 对钢管混凝土板接节点建立ABAQUS/Explicit有限元分析模型,实现了各荷载作用下钢管混凝土板接节点主管管壁初始断裂位置、裂纹扩展及承载力的预测。将有限元模型计算结果与试验研究结果对比,验证了该模型的有效性。