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主管加内套管的加强K型搭接节点滞回性能研究

更新时间:2016-07-05

对于直接焊接的钢管搭接节点,在实际工程中为了利于施工,其搭接处的隐藏焊缝常常没有焊接[1]。钢管节点作为结构的关键部位,为保证其安全性,在节点内隐藏焊缝不焊接时,通过对节点加强,以提高其承载力。国内外诸多学者对加强节点开展了系统研究,得到了许多有益结论。Xia等[2]研究了轴向循环荷载作用下,垫板对方管T型节点的影响。研究结果表明,垫板能够提高方T型节点的强度,但是不利于发挥节点的延性和耗能性能。Chen等[3]设计了22个试件研究轴压作用下混凝土方管X型节点的静力性能。研究表明,在主管中灌混凝土可提高节点的初始刚度和极限荷载,在主管和主管内PVC管夹层中灌注混凝土空心率相对较大时节点的延性较好但破坏荷载小。Shao等[4]研究了节点区域主管壁加厚对方管T型节点耗能的影响。研究表明,主管壁局部加厚的方管T型节点可有效避免主管径向破坏,提高节点的承载力和耗能性能。邓婷[5]采用ABAQUS有限元分析软件建立了21个有限元模型,研究槽钢对K型间隙节点静力性能的影响。分析结果表明,采用恰当尺寸的槽钢可提高方管K型间隙节点的强度和承载力。赵伟伟[6] 通过试验和有限元分析研究了高分子材料聚氨酯对T型、Y型和K型节点抗震性能的影响。研究表明,加强后的节点具有良好的抗震性能和耗能能力。王新武[7] 研究了在主管内设置横向和纵向加劲肋对K型方管节点平面弯矩承载力的影响。研究结果表明,设置横、纵向加劲肋有利于提高节点的强度和刚度,但提高都不明显;横向加劲肋有利于提高K节点的平面内弯矩承载力,纵向加劲肋对平面外弯矩承载力几乎没影响。综上所述,诸多学者研究的加强节点主要针对T型、Y型和X型节点,研究视角放在了改善节点的受力性能。本研究在总结前人研究的基础上,主要以K型搭接节点内隐藏焊缝不焊接为出发点,在改善节点施工性能的同时,考虑采用易于施工的加强方式,加强节点以保证节点承载力不降低,同时节点的滞回耗能性能满足结构的抗震要求。为此,研究以K型搭接节点内隐藏焊缝不焊接节点为研究对象,通过主管加内套管的局部加强形式,利用有限元法分析该加强节点的滞回耗能性能。

1 有限元分析模型建立

1.1 模型设计

采用在主管内局部加套管的方式对节点进行加强,设计了加强节点模型如图1所示的。

图1 加强节点模型设计图 Fig.1 Design drawing of reinforced node model

表1为模型各参数值,J-1是未加强K型搭接节点,J-2是主管加内套管的加强K型搭接节点,LDTldt分别为主管与支管的长度、直径及厚度,LCTC为主管内套管的长度和厚度,e为偏心距,θ为主支管轴线之间的夹角。

说了几句话后,李老师掏出包里的一叠纸,放到桌上,然后慢慢地将这堆纸推到常爱兰与驮子面前,说,对孩子适当的管教还是需要的,尤其要注意引导。

1.2 单元类型及网格划分

单元类型采用三维4节点壳单元SHELL181,每节点6个自由度,沿坐标轴的平动位移和绕各轴的转动位移,适于模拟薄壳结构、大转动、大应变的非线性分析[1]

表1 模型各参数值

Table 1 Model parameters

节点编号L/mmD/mmT/mmLC/mmTC/mml/mmd/mmt/mme/mmθ/(°)J-124003006120019553545J-22400300660020120019553545

[5] 邓婷.K 型间隙矩形管槽钢加强节点有限元分析[J].钢结构,2016:17-20,13.

通过有限元分析软件ANSYS,按照上述网格尺寸和网格划分方式建立的K型搭接节点有限元分析模型如图2所示。

图2 有限元分析模型 Fig.2 Finite element analysis model

1.3 材料模型

钢材本构关系采用双线性随动强化模型,由Von-Mises屈服准则及相关的流动法则判断弹塑性的发展,考虑Bauschinger效应。钢材的屈服强度取为345 MPa,弹性模量取为2.06×105 MPa,强化阶段的模量取为弹性模量的1%,泊松比取为0.3。

1.4 边界条件及加载机制

设定如图3所示的边界条件,即主管一端固定,一端是仅可沿轴向移动的滑动支座,两支管端部均为滑动铰支座[8]。采用如图4所示的位移加载机制,即对2个支管施加沿轴向的负相关低周循环位移荷载,初始加载位移为0.4 mm,增量为0.4 mm,每级荷载循环2次。为便于加载和提取结果,对主、支管端部节点进行耦合,边界条件和荷载均加在耦合点上。

图3 边界条件 Fig.3 Boundary conditions

图4 加载机制 Fig.4 Loading mechanism

4.1.2 单位面积成本分析。分析图5-2数据可以看出,2009~2011年全国大白菜平均单位成本大幅度上升,由1316.60元上升至2496.70元,之后在2012年减少至2466.23元,且直到2016年的几年间,持续徘徊在2500元左右。2009~2016年胶州大白菜成本均高于全国平均水平且差距逐渐拉大。胶州大白菜品牌建设发展阶段的成本投入加大,由2161.21元上升至4231.28元,增长了2105.07元。对产品质量提出高标准要求,从基地选择到种植过程,投入了大量成本。

2 K型节点的滞回性能分析

2.1 破坏现象

图5是通过ANSYS有限元软件后处理模块得出的节点应力云图,图5(a)是未加强节点J-1的应力云图,图5(b)是内套管加强节点J-2的应力云图。由图5可知:J-1是主管表面有“凹凸”现象的塑性破坏,而J-2的破坏始于支管,搭接支管受压“鼓曲”破坏,贯通支管受拉“颈缩”破坏,破坏的地方是节点应力最大的地方。这说明主管加内套管有效的避免了主管先于支管破坏,提高了节点的效率,起到了加强节点的作用。

图5 节点应力云图 Fig.5 Cloud diagram of node stress

2.2 滞回曲线

图6是各节点的滞回曲线即荷载-位移曲线,取支管端的位移作为横轴,取支管端的荷载作为纵轴,图6(a)是节点搭接支管的滞回曲线,图6(b)是贯通支管的滞回曲线。由图6可知:不论搭接支管还是贯通支管,J-2的滞回曲线都更加饱满;J-1贯通支管滞回曲线受压荷载还处在上升的趋势,但是受拉荷载已趋于平缓,表明J-1节点贯通支管首先受拉破坏;节点J-2的滞回曲线正负数据基本对称,表现出较好的滞回性能,搭接支管首先受压破坏。

一宫道为宫,乃天地之道(也是天地之基本规律,天地之德)有八,人必效之、遵之。二至八宫为人道:二宫是人生如何“正为”的八种智慧,即要为正而不为歪邪之事;三宫是人生如何“中为”的八种智慧,即为人做事不偏不依恰到好处;四宫是人生如何“智为”的八种智慧,即不能做胡涂事;五宫是人生如何“作为”的八种智慧,即要做事,做成事;六宫是人生如何“修为”的八种智慧,即不能没有修养,要有良好的修养;七宫是人生如何“当为”的八种智慧,即为所当为,要有做人的责任;八宫是人生如何“适为”的八种智慧,即与时俱进,什么时候做什么事,该进则进,该退则退。

图6 节点滞回曲线 Fig.6 Node hysteretic curve

2.3 骨架曲线及节点承载性能分析

骨架曲线能够反映试验构件的承载性能和延性特征,骨架曲线是在滞回曲线的基础上绘制出来的,取荷载-位移曲线各级第1循环的峰点连接起来的的包络线作为骨架曲线,各节点骨架曲线如图7所示。根据骨架曲线获得贯通支管和搭接支管在拉、压时的最大荷载,然后取平均值作为节点的承载力,各节点见表2。由表2可知,相对于未加强节点J-1,

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表2 节点承载力

Table 2 Bearing capacity of node

节点编号搭接支管/kN正向负向贯通支管/kN正向负向平均值/kNJ-1838.73790.12868.74721.44804.76J-21026.401058.311066.631061.791053.29

[4] Shao Y B,Li T,Seng T L,et al.Hysteretic behaviour of square tubular T-joints with chord reinforcement under axial cyclic loading[J].Journal of Constructional Steel Research,2011,67(1):140-149.

图7 节点骨架曲线 Fig.7 Node skeleton curve

2.4 节点耗能分析

节点的耗能能力是评价抗震性能的指标之一,采用累计耗能Usum和累计耗能系数η来评价节点的耗能能力。累积耗能Usum是指循环加载后节点的累积耗能,数值上等于所有滞回环的面积之和。累积耗能系数η是在文献[9]中累积耗能系数ηa和文献[10]中能量耗散系数E的基础上提出的新系数。新系数是按文献[10]中对能量耗散系数E的定义将滞回曲线每一循环计算出一个能量耗散系数,再进行累加。相比于文献[9]中对累计耗能系数的定义,新系数考虑了每一循环节点受压、受拉时的弹性势能,更能够体现节点的累积耗能。累积耗能系数η定义如下:

(3)节点J-2比节点J-1的累积耗能值偏大,但是节点J-2和节点J-1的累积耗能系数值相差不大,即主管加内套管对K型搭接节点的耗能影响不大。

表3 节点耗能评价

Table 3 Energy consumption evaluation of node

试件编号支管类型累积耗能Usum/(kN·m)累积耗能系数ηJ-1搭接支管103.43026.957贯通支管103.19627.338J-2搭接支管150.27727.797贯通支管153.99926.795

[3] Chen Y,Feng R,Xiong L.Experimental and numerical investigations on steel-concrete-PVC SHS joints under axial compression[J].Construction and Building Materials,2016,102:654-670.

3 结论

研究通过有限元分析软件ANSYS建立了2个K型搭接节点的有限元模型,探究主管加套管对K型搭接节点滞回性能的影响,得出以下结论:

(1)节点J-1是主管塑性破坏屈曲破坏,节点J-2始于支管屈曲破坏,说明主管加套管有效避免了主管先于支管破坏,提高了节点效率;

(2)主管加内套管可提高节点的刚度和承载力,承载力可提高约30%;

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其中:是指第i个循环时的弹性势能,可表示为分别表示正向加载和负向加载时的屈服荷载和屈服位移分别表示第i个循环时节点受压、受拉所耗散的能量,数值上等于滞回环正、负环的面积值。按上述定义计算的节点耗能指标见表3。

参考文献

[1] 杨文伟,王秀丽.钢管桁架结构K形搭接节点抗震性能试验研究[J].建筑结构报,2013,31(1):85-92.

[2] Xia J,Chang H,Goldsworthy H,et al.Axial hysteretic behavior of doubler-plate reinforced square hollow section tubular T-joints[J].Marine Structures,2017,55:162-181.

由表3可知:节点J-2的累计耗能稍微大于节点J-1,然而节点J-2和节点J-1的累积耗能系数相差不大,说明主管加套管对节点的耗能影响不明显。

内套管加强节点J-2的承载力提高了约30%。由图7可知:主管加内套管后,不论是搭接支管还是贯通支管,节点的刚度和承载力都有提高,表明主管加内套管作为节点加强的方式是有效且可靠的。

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采用自由网格划分的方式。经过不断调试,主管非加密区单元尺寸为36 mm,加密区为22 mm;支管非加密区单元尺寸为25 mm,加密区为20 mm。

无涂层样品在500 ℃加热不同时间的外观照片如图1所示.图1显示,加热1~8 h的钢片样品全部发黑.有涂层的Q235钢片样品在500 ℃加热不同时间的外观照片如图2所示.图2显示,有涂层的样品在加热后,其颜色仍是银白色的,没有受加热时间的影响.在500 ℃加热8 h的过程中,涂层颜色没有发生变化,涂层表面也未见任何裂纹与脱落.

[6] 赵伟伟.新型组合管节点抗震性能研究[D].南京:江苏科技大学,2015.

[7] 王新武.K型方管加强节点承载力的研究[J].建筑科学,2007,23(9):31-33.

[8] 陈誉.平面 K 型圆钢管搭接节点静力性能研究[D].上海:同济大学,2006.

[9] 陈娟,陈驹,金伟良.圆钢管混凝土 T 形相贯节点耗能机制研究[J].建筑结构学报,2013,34(增刊1):128-133.

[10] 中国建筑科学研究院.建筑抗震试验方法规程:JGJ 101-1996[S].北京:中国建筑工业出版社,1997:1-13.

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高栋,杨文伟,索雅琪,林健康
《甘肃科学学报》 2018年第02期
《甘肃科学学报》2018年第02期文献

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