钢管搭接节点破坏过程分析

陈 鹏，邢凯峰，黄 剑

（黄山学院 建筑工程学院，安徽 黄山 245041）

大跨度空间结构越来越广泛的应用主要原因在于其节点的优越性能，因此,大跨空间钢结构的节点成为研究的热点和重点。空间节点能够三维受力和传力，在平面K型圆钢管搭接节点静力强度方面的讨论已经开展的比较深入[1-7],其次有关高周疲劳下节点的破坏机理探讨也取得不少成果，目前开展较少的主要是小周期往复荷载作用下节点弹塑性变形过程的研究。研究工作的滞后对工程设计和施工的安全性、经济性已造成不利影响。

空间搭接节点比较显著的特点在于杆件材料的几何特征、焊缝形式、腹杆受力形式共同决定了节点的受力性能。合理的搭接节点设计应是寻求3根杆件和节点力学性能的最佳结合点，为此对圆钢管K型搭接节点在弦杆轴向荷载作用下破坏过程的研究,主要通过有限元分析，得到K型搭接节点内隐蔽焊缝在焊与不焊两种情况下的滞回特性，量化评价其变形能力和耗能能力，揭示K型搭接节点，内隐蔽焊缝的延性及节点破坏机理。最后对带有K型搭接节点的管结构进行整体结构分析，得到结构的受力性能、破坏模式及节点极限承载力。本文通过一系列非线性计算和比较分析,得到一些有实用价值的结论。

1 试件设计

表1 K型搭接节点的几何参数

节点试件钢材选用Q235钢，试件尺寸主管ø159×6,支管 ø76×4 与 ø89×5,根据主支管尺寸不同以及焊缝形式的改变设计2组共4个试件，其中焊缝形式的模拟通过有限元单元的改变来实现。表1详细列出了各个试件的几个参数，表中的YH和YN分别用来表示隐藏焊缝焊接与不焊接。其中节点偏心距用e表示，hf为角焊缝的焊脚尺寸，弦腹杆直径用表中D和t表示，T和t为弦腹杆的厚度，i和j用来表示搭接顺序，表中β、γ、τ分别表示管件之间的几何尺寸（直径、厚度、径厚）比值，θ用来表示杆件之间相交的角度，腹杆之间搭接面积的比值通过搭接率Ov%来表示。搭接节点示意图见图1。

图1 K型搭接节点基本构造

2 分析模型的建立

2.1 单元类型

有限元分析中结果的准确度与精确程度主要取决于材料单元的选取。在搭接节点的有限元分析中，计算精度高的是SOLID单元，但是耗时，因此较为实际的模型单元一般选用弹塑性壳单元。通过试验结果的比较在本次研究中找出的3维4节点弹塑性壳单元SHELL181单元与实际情况吻合度高、计算时间短、效率高的。为简化计算焊缝的实际模拟同样采用壳单元，按以上选取的单元，对K型节点试件建立模型，模型的区别在于搭接方式的不同，隐藏焊缝的焊接不同以及杆件尺寸的不同。节点模型见图2，焊缝的建模如图3所示。

图2 节点模型

图3 焊缝的数值模拟

2.2 材料属性

节点分析选择Q235的钢材，屈服强度为235MPa，u取值为 0.3，弹性模量取 206GPa，双线性强化模型为钢材本构关系，服从Von Mises屈服准则。为简化计算过程，忽略节点残余应力的影响。

2.3 约束方式及加载方式

小周期往复荷载作用下节点滞回性能的研究对于边界条件以及加载方式的选取同样至关重要。为了与实际工程吻合更加贴切的同时又能全面考察钢管相贯节点弹塑性全过程，在加载方式上参考了国内外有关资料结合钢模板试验的加载特点及有限元程序的功能，建立如图4所示的边界条件。选择2支管铰接的约束形式，节点只能在平面内绕铰接点转动。关于节点低周期荷载的加载路径的实现，分析中按时间逐级增加加载，加载机制采用变幅加载，即在弦杆上每加载和卸载一次作为一个循环，再反向加卸载循环，每步荷载增量为25KN。加载路径如图5所示，空载→逐渐增加至控制荷载→等待15min→卸载结束→等待15min→反向加载至荷载值，依次往复循环。

图4 K型节点边界条件和约束加载方式

图5 加载路径图

3 有限元模拟破坏模式

节点开始加载到最后破坏，一般经历3个阶段：近似线弹性阶段；弹塑性阶段；近似完全塑性阶段。

YH-K01屈服时节点处焊缝首先发现变形，比较明显的变形区域存在于搭接支管焊缝处，荷载增加塑性区域随着逐渐增加，变形增长速度最快的同样是搭接支管部分，破坏时的状态为集合点处的焊缝破坏严重，搭接支管与主管焊接部分及其附近区域严重损坏。

YN-K01三杆的汇交点处最先出现屈服，焊缝区最后全部扩展为屈服区域，直到整个焊缝区破坏，两支管都发生较大的塑性变形，主管也有相应的变形。

YH-K02的屈服点首先发现在搭接支主管处的焊缝，屈服面积在进一步荷载下逐渐扩展，2支管焊缝区的变形发展尤为明显，最后破坏在焊缝区，大变形同样存在于主弦管的主体部分。

YN-K02也是节点结合处首先出现屈服，整个焊缝区最终发展为屈服区域，焊缝的完全破坏为节点的最终破坏形式，破坏时在搭接管的尾部变形很明显并且出现断裂现象。同样的大变形也出现在支管主体部分，在焊缝区逐渐破坏时支管主体部分也慢慢逐渐损坏。

4 结 论

通过分析可知，平面K型搭接结点破坏主要存在主支管连接焊缝处或者弦杆管壁发生局部屈曲破坏，不同的焊缝形式下节点的塑性发展区域有明显的区别，同时支管的壁厚以及搭接率也有一定影响。但是在4种不同条件下的模型应力最大的位置都存在于节点处与实际情况一致。

K型搭接相贯节点在内隐藏焊缝焊与不焊时屈服和破坏都是从焊缝的根部开始的，因此说明节点焊缝对结构设计的重要性。K-YH屈服点开始出现在支管的搭接处，随着荷载进一步的发展，支管的屈服面积逐渐变形发展至整个节点破坏，屈服过后，搭接支管变形明显大于被搭接支管。最后的失效模式是搭接支管大面积变形导致节点破坏。

[1]陈誉,彭兴黔.空间KK型双弦杆圆钢管搭接节点有限元参数分析与极限承载力计算公式 [J].建筑结构学报,2007,28(3)：37-45.

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[7]Euro-code Design of Steel Structure,Part 1-8：Design of Joints[S].Bsen，1993-01-08,2005.