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不同荷载作用下T型方钢管节点静力性能王文龙

发表时间：2020/9/3 来源：《基层建设》2020年第11期作者：王文龙曹猛

[导读] 摘要：采用有限元软件ABAQUS对T型方钢管相贯节点进行了建模及非线性有限元计算。

        山东科技大学土木工程与建筑学院山东青岛 266590
        摘要：采用有限元软件ABAQUS对T型方钢管相贯节点进行了建模及非线性有限元计算。分别对构件施加轴向压力和弯矩-轴力联合作用，将试件的破坏模式与前人试验进行了比较。研究结果表明：试件在轴向压力作用下，发生主管相贯面凹陷和侧壁鼓凸的现象；在弯矩、轴力联合作用下,破坏模式为主管相贯处受压侧凹陷，主管侧壁发生鼓凸，受压侧鼓曲明显。破坏发生在主管相贯部位,支管无明显破坏现象，有限元模拟与前人试验吻合度较高。
        关键词：T型方钢管相贯节点；有限元分析；破坏模式
        1引言
        直接焊接的方钢管结构造型美观，加工制作方便，受力性能优越，在大跨结构中的应用越来越广泛[1]。然而，由于钢管壁厚较薄，管壁的面外刚度明显低于面内刚度，管节点的轴向承载性能和管焊接节点静力性能的研究成果较多[2]，早期研究多基于试验[3-4]实测进行，随着试验数据的积累提出了相关设计理论[5-6]，近年关于节点有限元分析[7]的研究成果则逐渐增多。尽管研究方法多样，试验研究仍然是深入了解该类型节点受力性能及破坏形受支管尺寸影响明显。在节点试验研究中，支管加载方式和主管约束条件的模拟非常重要。支管加载方面，文献[3-4]对比了直接加载和加载板加载，发现加载板会引起主管附加弯矩增大。主管约束条件方面，文献[5]为了消除主管附加内力的影响，将主管下翼缘设为连续简支约束；与上述约束类似，文献[6]在试验中将主管下翼缘中部固定。
        为了进一步了解方钢管Ｔ型节点在主管两端固定约束，支管加载板轴向加载时的受力性能及破坏形态，文献[7]指出τ=t1/t对节点刚度影响很小，故本文对1个方钢管节点进行静力加载模拟试验研究。
        2有限元模型
        2.1几何尺寸
        相应的尺寸见表1，其中两侧及上部的端板采用边长为200mm，厚度为15mm的Q235钢板。有限元分析采用ABAQUS软件中的二十节点六面体二次减缩积分单元(C3D20R)进行建模和计算。

        2.3边界条件及加载方式
        在正式试验前先对试件施加5%极限荷载进行预载，检查伺服机，应变计，位移计，数据采集仪以及电脑的工作情况。确定高强度螺栓拧紧，且各测试设备正常工作后即开始正式试验。试验过程中，向支管施加匀速增大的轴向压力，利用数据采集仪定时采集荷载，应变及位移数据，并保存至电脑，当节点发生过大变形或明显破时坏即终止试验。
        主管两侧端部采用面约束，按铰接支座考虑，左侧约束U1，U2，U3自由度，右侧约束U1，U2自由度。加载方式为荷载加载，其中荷载的取值为P。在加载过程中荷载是以面荷载的形式作用在支管上部的端面。
        2.4网格划分
        网格划分采用结构化网格，控制单元边长，在相贯区域将网格加密。选择采用C3D20R单元，其位移求解的结果较为精确，并能有效地防止剪力锁现象。
        3有限元结果及验证
        3.1轴压下破坏模式分析
        通过ABAQUS模拟得出的1个试件破坏现象，如图1所示。T型方钢管相贯节点在轴压作用下，主要发生主管相贯面凹陷以及主管侧壁鼓凸，支管无明显破坏现象。通过与文献[7]中的试验现象对比，可以发现有限元模拟与试件实际破坏现象较为吻合。主管相贯面凹陷，属于板件面外受力，可以采取在主管相贯处焊接加强板的方式减缓主管相贯面的凹陷；主管侧部鼓凸，属于板件面内失稳，可以在主管侧壁产生鼓凸位置焊接内衬板或内加劲肋，增加侧壁的刚度，从而减缓侧壁的鼓凸。主管灌入混凝土，可以很好地克服节点相贯面凹陷以及侧壁鼓凸。

        4结论
        本文运用有限元软件ABAQUS对T型方钢管相贯节点轴压和在弯矩、轴力联合作用下进行建模和计算，并与相应的试验结果进行对比，得出以下结论：
        1)试件在轴向压力作用下,破坏模式为主管相贯处凹陷,主管侧壁发生鼓凸。，可以在主管侧壁产生鼓凸位置焊接内衬板或内加劲肋，增加侧壁的刚度，从而减缓侧壁的鼓凸。主管灌入混凝土，可以很好地克服节点相贯面凹陷以及侧壁鼓凸。在弯矩、轴力联合作用下,破坏模式为主管相贯处受压侧凹陷，主管侧壁发生鼓凸，受压侧鼓曲明显。破坏发生在主管相贯部位,支管无明显破坏现象,工程中应对主管采取加固措施。
        2)通过与试验结果对比可知，该试件的破坏模式与试验吻合良好，可以作为参数分析的基础。
        参考文献
        [1]张其林，刘大康，译上海.WARDENIERJ。钢管截面的结构应用[M].同济大学出版社,2004:87–89.
        [2]陈誉，张钻湖.平面X型圆钢管混凝土节点平面外受弯性能试验研究[J].建筑结构学报，2012，33(3):39.
        作者简介
        王文龙（1994-），男，汉族，山东省菏泽市，学历：硕士在读，单位：山东科技大学，266590，研究方向：建筑与土木工程方向。