槽鋼加強T形圓鋼管節點的軸向承載性能研究*

白 楊 祝 磊 王 喆

(1.北京未來城市設計高精尖創新中心，北京建筑大學土木與交通工程學院, 北京 100044；2.北京建筑大學工程結構與新材料北京市高等學校工程研究中心, 北京 100044；3.北京建筑大學北京市建筑結構與環境修復功能材料重點實驗室, 北京 100044；4.中國建筑標準設計研究院，北京 100048)

0 引 言

圓鋼管結構具有良好的力學性能，較輕的結構重量，以及簡潔優美的造型。隨著鋼管結構的不斷發展,其應用范圍越來越廣,鋼管結構不僅應用在海洋平臺、橋梁、塔桅和起重機械工程中,而且應用于工業廠房、飛機庫、體育館、展覽館和商場等眾多工業與民用建筑工程。與鋼管構件相比，節點部分承受更復雜的應力，主管極易發生局部屈曲或屈服破壞而失效，所以管節點作為鋼管結構中的薄弱部位，為了提高管節點的靜力性能，一般需要對管節點的相貫部位實施加固措施來提高主管在徑向的剛度和強度，進而達到提高管節點承載力的目的。

圓鋼管節點的加強方式可按照其加強的位置分為內部加強以及外部加強兩種方式，其中內部加強方式又包括了內加勁環[1]、混凝土填充[2]、以及加厚主管壁厚[3]等，外加方式則包括外加勁環[4]、外加勁肋[5]、墊板[6]、環口板[7]以及FRP[8]等方式。

本文采用了一種利用槽鋼進行鋼管節點加強的連接形式，如圖1所示，將槽鋼兩腰橫跨在主管上，支管焊接在槽鋼頂面，并用鋼板封住兩端，滿足防火防銹的構造要求[9]。利用槽鋼加固的節點具有減少造價、施工方便的優點。

圖1 槽鋼加固T形節點詳圖

本文首先利用ABAQUS有限元軟件模擬3組外加勁肋加強T形節點的試驗，通過對比結果，驗證了有限元分析方法對于分析此類問題的準確性，進而利用ABAQUS軟件模擬三組不同支管與主管外徑比的槽鋼加強的T形節點，分析不同槽鋼型號以及槽鋼不同長度對節點承載力和變形特性的影響。

1 有限元模擬T形加勁肋節點試驗

試驗具體情況見文獻[10]。該試驗共3組6個不同支管與主管外徑比的T型圓鋼管節點，組內以是否帶外加勁肋進行區別，帶外加勁肋試件詳見圖2。在主管兩端各焊接一塊方形鋼板，架立在試驗臺上，在支管頂部端板施加軸向荷載，直至節點破壞。通過對比試驗數據來探究外加勁肋加固方式對于節點承載力的提高效果。

圖2 帶外加勁肋T形節點

1.1 模擬方案

本文運用ABAQUS建模，材料均視為各向同性，忽略了焊接殘余應力的影響。選用了減縮積分的四節點曲面薄殼S4R單元，所有鋼材采用理想彈塑性，服從Mises屈服準則，同時考慮了材料非線性和幾何非線性。另外，單獨創建各個部件，并將其用Merge合并在一起來模擬各部件之間的焊接，相貫的焊縫部位厚度取0.1t1，模擬結果較為準確[11]。模型中主管和支管加上了剛性端板，在其中心處取參考點與端板進行耦合約束，方便施加邊界條件、荷載以及查看結果。設置邊界條件時,主管一端認為是完全鉸接，另一端釋放軸向位移。支管端部約束面外位移,保證支管只產生軸向位移。將50 mm軸向壓縮位移施加在支管端部，計算并查看結果。本模擬采用自由劃分網格方式，以T3節點為例，根據模型的尺寸和形狀，設置網格種子尺寸為10 mm，最終劃分的網格總數為23 976。網格劃分后的效果如圖3所示。

圖3 試驗T3節點有限元模型

1.2 與試驗結果對比

1.2.1荷載-位移曲線對比

為了對比極限承載能力，圖4給出了6個節點在支管受到軸向壓力下的試驗和有限元模擬的荷載-位移曲線，其中位移為節點凹陷值，即支管端板位移與主管底部跨中位移的差，荷載為施加在支管頂部端板上軸向荷載的大小?？梢钥闯?在荷載-位移曲線初期，節點處于彈性變形階段，有限元模擬的結果與試驗的吻合度較高。在荷載-位移曲線峰值點過后，節點很快進入塑性變形，由于實際節點的變形情況較為復雜，有限元模擬的結果與試驗有一定出入。表1給出了試驗和有限元模擬的極限承載力的對比，可以看出有限元模擬結果較為準確。

a—T1；b—T2；c—T3；d—T4；e—T5；f—T6。

表1 試驗和有限元模擬結果的極限承載力對比

1.2.2變形對比

在ABAQUS可視化模塊中可以看到節點的變形情況，通過對比可以看出有限元模擬與試驗結果的節點凹陷程度和主管變形相似，破壞模式相同，說明有限元的分析是可靠準確的。以T6節點的有限元模擬與試驗節點變形對比為例，見圖5。

a—有限元；b—試驗。

2 有限元模擬T形槽鋼加強節點

由于對T形槽鋼加強節點沒有進行試驗，因此需用相似節點來類比驗證。T形外加勁肋節點與T形槽鋼節點的整體結構、邊界條件以及加載方式十分相近，因此可以通過模擬T形加勁肋節點驗證有限元模擬的準確性，并以此作為分析方式模擬T形槽鋼節點。且外加勁肋節點支管與主管間存在相貫的空間曲線，而槽鋼節點的相貫線為平面曲線，節點區域更簡單，因此有限元模擬結果可供參考。

2.1 模型介紹

采用槽鋼加強T形節點的靜力受壓承載力的模擬分為3組進行，其支管與主管外徑比β分別為0.25、0.5和0.75，每組從槽鋼表中分別選取不同型號的槽鋼進行模擬分析，通過承載力及破壞模式的對比來探究不同槽鋼對節點的加強作用。試件構造詳圖見圖6。圖中：t0為鋼管厚度；d0為主管直徑；l0為主管長度；d1為支管直徑；l1為支管長度；h為槽鋼高度；b為槽鋼腿寬；t為槽鋼腿厚；d為槽鋼腰厚；s為槽鋼長度。

圖6 T形槽鋼加強節點詳圖

2.2 槽鋼型號的影響

2.2.1模擬過程

采用鋼材Q345, 屈服強度fy=345 MPa，彈性模量E=206 GPa, 材料假定為理想彈塑性材料, 服從 Mises 屈服準則和塑性流動法則。本次模擬中每組的主管長度l0均取1 800 mm，直徑d0均取300 mm，主管以及支管的厚度t0均取8 mm，槽鋼尺寸遵循GB/T 706—2016《熱軋型鋼》，槽鋼封口的兩塊鋼板厚度取值同槽鋼腿厚，槽鋼長度與槽鋼高度取值相同，其余尺寸見表2。當β=0.75時，只模擬了一種加強節點，原因是支管直徑較大，選用[25c的槽鋼高度可以滿足，但此時槽鋼的表面僅高出主管1 cm左右，而選用更大型號槽鋼時，槽鋼表面將與主管接觸，所以無法再選取其他型號槽鋼。其中TC1、TC4、TC7分別為β為0.25、0.5和0.75的未加強節點。網格種子尺寸均設為10 mm，以TC3節點為例，最終劃分的網格總數為21 751，網格劃分后的效果如圖7所示。

表2 節點模型的尺寸參數

圖7 槽鋼加固節點有限元模型

2.2.2破壞模式對比

模型的創建、邊界條件、支管與主管端部的剛性支撐、網格劃分以及荷載的施加都同T形加勁肋節點的模擬過程。TC1～TC8的節點變形如圖8所示?？梢钥闯?，槽鋼加強節點的破壞模式主要分為兩種，即主管的變形破壞以及槽鋼下陷。

a—TC1～TC3節點變形；b—TC4～TC6節點變形;c—TC7、TC8節點變形。

由此可見，未加強節點的破壞模式為主管的塑性變形，而槽鋼加強的節點有兩種變形情況，即主管的塑性變形和槽鋼表面下陷。在實際工程應用中，相對于主管變形，槽鋼變形更有利于節點的繼續承載和整體結構的穩定，所以更希望出現槽鋼破壞的情況。通過圖8對比可以看出，加強節點都在一定程度上改善了主管上翼緣面的變形。

2.3 荷載-位移曲線對比

取支管頂部位移與主管底部中心位移的差作為橫坐標來表示節點的變形程度,縱坐標為對應時刻的荷載，為方便對比，將同一組節點的荷載-位移曲線繪制在一起，見圖9?？梢?，TC3和TC6曲線波動較大,這是因為變形主要以槽鋼的下陷為主,導致位移比較大。關于節點承載力的判斷準則，文獻[12]認為是在節點凹陷變形量為主管外徑的3%時的荷載值，Vegte將主管截面變形量指標修正到0.06d0[13-14]。對比峰值荷載和0.06d0的極限變形荷載，若峰值荷載對應位移小于極限變形，則以峰值荷載為極限荷載，否則取0.06d0的極限變形荷載。

a—第一組節點；b—第二組節點；c—第三組節點。

將本次模擬用于探究槽鋼型號影響的TS1～TS16模型的極限承載力列于表3，令加強型節點對比未加強型節點承載力提高系數為Ψ(Ψ=Fu,s/Fu)，其中Fu,s為加強型節點的極限承載力，Fu為對應具有相同幾何尺寸參數的未加強型節點的極限承載力。表中a、b代表兩種破壞形態，其中，a為主管變形，b為槽鋼變形狀態，由于各模型中均出現了主管的塑性變形，所以當出現槽鋼下陷情況時，則判斷為b。圖10和圖11分別為β等于0.25和0.5時，槽鋼型號的變化對節點承載力提高系數Ψ的影響。

圖10 槽鋼型號對承載力提高系數的影響(β=0.25)

圖11 槽鋼型號對節點承載能力提高系數影響(β=0.5)

由表3可見，使用槽鋼加強的節點極限承載能力都要比未加強節點高，并且隨著槽鋼型號的改變，槽鋼高度隨之增大，極限荷載先是逐漸升高，后逐漸降低，降低的原因是槽鋼高度過大，導致槽鋼表面下陷程度嚴重，很容易被壓潰，導致在達到極限變形時的荷載減小，但仍然大于未加強節點。當β為0.25時，承載力最大提高了252%，最少提高了130%；β為0.5時，承載力最大提升了203%，最少提升了133%；β為0.75時，僅選用[25c槽鋼進行加固模擬，承載力提高了133%。3組模型的破壞模式都先是主管變形，當槽鋼增大到某一型號時，伴隨軸向壓力的增大，槽鋼也發生下陷。綜合承載力及變形情況，在實際工程應用中，應根據不同的需求選擇適中大小的槽鋼，既能提高其承載力，又能減小主管變形程度。

表3 各模型的極限承載力及破壞模式

2.4 長度的影響

在上文模擬的節點模型中槽鋼長度s均與槽鋼高度h取值相同，現探究槽鋼長度對承載能力以及變形的影響。選用β=0.5、[22b槽鋼進行模擬，建模過程以及后處理均不改變，僅改變長度s，將s由180 mm(間隔20 mm)逐漸遞增到260 mm，得到計算結果。表4列出了極限承載力數據的比較,圖12為槽鋼長度對節點承載力提高系數Ψ的影響。

表4 不同槽鋼長度下極限承載力及變形對比

圖12 槽鋼長度對節點承載力提高系數Ψ的影響

由此可知，槽鋼長度對承載力和破壞模式都有較大影響。當β=0.5，選用[22b槽鋼時，隨長度增加，極限承載力先由212%逐漸降低到142%，破壞模式也由主管變形轉變為槽鋼下陷。

3 結束語

本文完成了槽鋼加強的新型節點的有限元模擬，研究了在軸向壓縮荷載下槽鋼加強節點對承載力和變形的影響。得到以下結論：

1)采用ABAQUS有限元軟件模擬得到荷載-位移曲線和節點變形特征，其與試驗結果都較為吻合。說明用此種有限元模擬方法解決這類問題是可靠的。

2)采用槽鋼進行節點加固，能夠提高承載力，改善變形情況。在槽鋼長度與高度相等的情況下，隨著槽鋼型號的增大，槽鋼高度增加，極限承載力先提高后降低，但仍高于未加固節點。3組破壞形式均由主管變形發展為以槽鋼下陷為主。

3)對于同一槽鋼型號，隨著槽鋼長度的增加，極限承載能力逐漸減小。以β為0.5時，選用[22b槽鋼為例，長度從180 mm增長到260 mm(以20 mm為單位)時，極限承載能力的提升由212%逐漸減小到142%，并且隨著長度增加破壞模式由主管變形轉變為槽鋼表面下陷。

4)實際工程應用中，可以采用槽鋼連接圓鋼管節點，能夠較大程度上提高節點承載力，改善節點變形情況。槽鋼型號的選取原則為：當支管直徑、長度較小時，槽鋼高度h與支管直徑d1的比值在1.3左右；當支管較大時，選取的槽鋼型號中槽鋼高度h與支管直徑d1的比值在2.0左右。槽鋼的長度在滿足大于支管直徑和其他實際應用時結構要求的同時，要盡可能地縮短，這樣可以更有效提高槽鋼連接方式對鋼管節點的加強。