相贯节点承载性能研究现状简述

2019-01-23季跃

结构工程师 2018年6期

季跃

(同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司,上海 200092)

0 引言

和其他空间网格结构节点体系相比,相贯节点体系具有外观简洁、传力明确、施工方便、构造简单、节省建筑材料和易于维护保养等诸多优点。相贯节点是由支管直接焊接于贯通的主管外表面而形成。由于相贯节点上杆件数量、角度、尺寸和形状的多种多样,导致杆件相贯面的切割线形态各异,因此在相贯节点制作的过程中,对焊接技术和切割精度的要求很高。近年来,施工工艺水平的提高和多维数控切割技术的发展有效解决了这些关键技术难点,降低了相贯节点的生产成本,推进了相贯节点在空间结构中的应用,如长沙贺龙体育场、上海东方明珠国际会议中心、浦东国际机场航站楼、上海八万人体育场、广州新白云国际机场、广州会展中心、南京奥体中心、北京国际机场新航站楼等。在实际工程中,有许多不同形式的相贯节点,包括T形、Y形、K形、X形、DT形、KK形、XK形等等。

本文对相贯节点的破坏模式、影响因素、常温承载性能和高温承载性能的研究现状进行总结,期望为实际工程应用和理论研究提供参考和依据。

1 破坏模式和影响因素

相贯节点是连接整个结构各个杆件的关键部位,也是最薄弱的环节。一旦节点发生破坏,可能会导致整个结构的失效,带来难以估计的经济损失和人员伤亡。在结构设计中,一般遵循“强节点、弱构件”的原则,因此避免相贯节点的破坏是结构设计中较为重要的部分。相贯节点的破坏模式主要有连接处主管塑性变形过大、主管局部屈曲、主管剪切破坏、焊缝开裂等,如图1所示。产生这些破坏的主要原因有:

(1) 对于应用中的多数钢管而言,管壁较薄,厚度方向的刚度较小,当支管受到轴压力时,主管会因沿厚度方向的刚度不足而产生变形,破坏将最终产生在相贯线附近的主管表面;

(2) 从应力角度分析,相贯节点受力时,焊缝附近的主管表面应力较高,通常在焊角附近的主管表面首先发生屈服现象,之后将在其周围逐渐形成塑性区,使得应力重新分布,随着塑性区不断扩展,最终使得焊缝附近的主管发生局部塑性破坏;

(3) 相贯节点焊缝附近的应力相当复杂,除了焊接过程会产生残余应力外,节点相贯部位也存在高度的应力集中现象,从而导致连接处焊缝易于开裂。

图1 相贯节点破坏模式Fig.1 Failure modes of tubular joints

节点的破坏模式与节点的受力工况和几何参数有关。影响相贯节点力学性能的几何参数主要有主管外径D、主管厚度T、支管外径d、支管厚度t和主管与支管间夹角θ。为了方便研究和相互比较,一般采用无量纲参数:支管和主管直径比值β=d/D,主管径厚比γ=D/(2T),支管和主管的厚度比τ=t/T。一般情况下,T或β越小,主管越容易发生破坏;θ越大,节点越容易破坏;γ,τ和主管所受轴力大小也对节点破坏模式有一定影响。

2 常温承载性能研究

在认识到相贯节点的优越性后,国内外研究学者对相贯节点的力学性能进行了大量研究。目前相贯节点的常温静力承载性能、刚度性能、疲劳性能和动力性能的研究较多。

2.1 国外研究现状

早在1948年,前西德进行了最早的钢管相贯节点极限强度试验。随后,日本研究学者完成了K形、T形和X形相贯节点试验,并提出了K形、T形和X形相贯节点强度计算公式。新加坡南洋理工大学的Fung课题组对相贯节点的极限承载力进行了试验研究及有限元模拟,提出了节点的设计准则。近年来,2006年,新加坡南洋理工大学的Gho课题组[1-2]对支管完全叠接的相贯节点破坏模式进行了归纳总结,根据1296个有限元模型结果,指出节点可能出现的破坏模式有支管管壁的塑性变形、搭接支管的屈服、搭接支管的局部失稳和搭接支管的杆件破坏。随后根据3 888个有限元模型结果提出相贯节点承载力的参数方程。2013年,Lesani等[3]采用ABAQUS软件对T/Y形相贯节点轴压力作用下的承载性能进行模拟,并与试验结果进行对比,分析了节点的破坏模式和极限承载力。方管抗弯性能较好,逐渐被越来越多的工程设计人员应用到相贯节点中。研究学者对方管相贯节点开展了一系列研究。2006年,Lie等[4-5]对带裂纹的T形方管相贯节点的静力承载性能进行了试验研究,得到了节点裂纹的扩展过程、裂纹的张开位移和节点的极限承载力。建立了带裂纹的T形方管相贯节点的有限元模型,通过参数分析发现,当β<0.8时,塑性铰线理论能很好地预测节点的静力承载力。2007年,Christitsas等[6]采用有限元方法对普通和鸟嘴式方管相贯节点平面内弯曲性能进行研究。

在早期的结构设计中,相贯节点被简化为铰接或者刚接,随着研究的深入,研究学者发现,相贯节点往往体现出半刚性特征。2013年,Golafshani等[7]建立了局部节点柔度单元用来模拟相贯节点刚度。2014年,Asgarian等[8]对Y-T形和K形相贯节点的局部柔度性能进行大规模数值模拟,并提出其计算公式。2017年,Ahmadi等[9-10]建立了81个KK形相贯节点有限元模型来研究四种不同平面外和平面内弯矩作用下节点的局部柔度性能,并通过324个节点有限元结果提出了预测节点局部柔度的参数公式。

相贯节点在海洋平台结构中应用较多,由于长期承受海风、海浪以及地震等循环荷载的作用,节点的疲劳性能对结构整体寿命有着至关重要的影响。早期,澳大利亚莫纳什大学赵晓林课题组通过试验和有限元方法研究了薄壁T形圆管和主方支圆相贯节点的疲劳性能。近年来,2007年,Chiew和Lee等[11-12]对拐角带裂纹的T形方管节点进行了疲劳性能试验测试,通过疲劳测试结果及裂纹尺寸发现,裂纹将首先在主/支管相贯线附近四个拐角的其中之一处产生,然后按与主管壁平行的方向进行扩展;焊缝分支或次焊缝在试验测试结束之前产生,且表面裂纹的形状较圆管节点复杂。同时对试验试件进行了有限元模拟,建立了可模拟不同形状裂纹的T形方管相贯节点有限元模型,并通过比较应力集中系数及节点残余寿命等参数,验证了有限元模型的准确性及可靠性。2009年,赵晓林课题组[13]完成了四个足尺相贯节点应力集中系数测量试验,并给出了焊脚和焊根间应力集中系数的关系。

随着相贯节点的逐渐普及和推广,已有不少采用相贯节点的建筑建设在较高级别的地震设防区。因此相贯节点的动力性能逐渐受到关注。2001年,新加坡南洋理工大学的Fung课题组[14]对一个足尺支管完全搭接相贯节点进行循环加载试验研究。试验中,支管相交区域最先出现局部失稳,随后支管连接焊缝出现裂纹,随着裂纹的扩张最终导致节点破坏。采用能量法分析其动力性能,能量分析表明,发生在斜支管中的局部屈曲消耗了大部分能量。随后通过有限元分析,研究了支管完全叠接相贯节点几何参数对其滞回性能的影响,并给出了改善该类节点滞回性能的意见。2011年,韩国Lee等[15]对高强钢T形圆管相贯节点在循环荷载下的平面内抗弯性能进行系统的有限元模拟,研究了β、τ、屈服强度比和主管压应力对相贯节点平面内抗弯性能的影响。

2.2 国内研究现状

国内对相贯节点静力承载性能的研究也取得了较多成果。早期,同济大学陈以一课题组和哈尔滨工业大学武振宇课题组分别对圆管相贯节点和方管相贯节点的承载力进行了研究,并提出其计算方法。近年来,2011年,Feng等[16]对不锈钢T形和X形方管相贯节点进行试验研究和有限元模拟,将其承载力结果与现有规范进行对比,最后提出其承载力计算公式。随后,2015年,他们对支X形主H支圆相贯节点承载性能进行研究[17],通过试验研究和有限元参数分析指出,当β小于0.605时,X形相贯节点的面内抗弯能力随着β的增加显著增加;当β大于0.605时,β对X形相贯节点的面内弯曲性能的影响不大;X形相贯节点的延性随着β的增大而增大。2015年至2016年间,Chen等[18-19]对T形主H支方相贯节点进行试验研究和有限元参数分析,通过将参数分析结果与Eurocode 3规范设计强度对比发现,规范设计强度不安全,因此提出了该类节点新的设计方法。国内除上述研究外,还有许多学者对相贯节点静力承载性能进行了研究,但研究方法大都大同小异,此处不再赘述。

对于相贯节点刚度,早期,同济大学陈以一课题组提出了圆管和矩形管相贯节点抗弯刚度公式。近年来,2008年,武振宇等[20]在塑性铰线模型的基础上建立了不等宽T形方管相贯节点初始抗弯刚度模型,推导出节点抗弯刚度公式,并通过与有限元分析结果比较,显示出该模型的合理性。2014年,同济大学陈以一课题组[21]对多平面X形圆管相贯节点的平面内抗弯刚度进行研究,并推导出节点的平面内抗弯刚度公式。2016年,赵必大等[22]基于X形方管相贯节点局部变形特征,建立了6杆系模型和矩形环模型,并综合两模型和参数分析结果提出了节点平面外抗弯刚度参数化计算公式。

相贯节点的疲劳寿命预测通常采用S-N曲线方法,其中应力幅S的大小由应力集中系数确定。目前国内对于相贯节点疲劳寿命的研究多集中在节点的应力集中系数上。2006-2007年,高飞[23-24]对支管完全搭接相贯节点在平面内和平面外弯矩作用下的应力和应变集中特性进行试验研究,发现节点最大的应变集中系数在贯通支管与搭接支管的交界处,随后通过有限元结果推导出计算应力集中系数的参数方程。2009年,烟台大学曲淑英课题组[25]支管完全搭接K形相贯节点的应力集中系数进行了试验研究,得到了轴向载荷作用下节点焊缝周围的应力集中系数分布和其极值点位置。2009年,刘永强等[26]采用有限元方法分析了受轴力和弯矩作用时钻石鸟嘴式T形方管相贯节点热点应力集中系数,并指出该类节点的应力集中系数显著低于传统方管节点,其疲劳性能更佳。2015年,程斌等[27]基于试验测试和有限元分析对鸟嘴式T形方管钢管节点在主管和支管轴力作用下的应力集中特性进行研究,指出一般情况下鸟嘴式节点应力集中系数低于传统正放式节点,且β值越小,这种降低幅度越明显,但当β>0.75时,鸟嘴式节点的应力集中系数可能高于正放式节点。

在实际工程中,采用相贯节点的结构一般并不是按照“强节点、弱构件”来进行节点设计,节点承载力低于杆件极限承载力的情况并不少见。由此,采用相贯节点的结构在较大地震作用下,往往节点先于杆件进入非线性变形阶段,所以对相贯节点动力性能的把握和利用是保证结构抗震安全性的一个非常重要的课题。国内近年来,相贯节点的滞回性能在试验、有限元和理论三方面均有研究。2007年,王伟等[28]完成了8个T形圆管相贯节点的滞回性能的试验测试。2008-2010年,武振宇等[29-30]对T形方管和Y形矩形管相贯节点进行了滞回性能试验测试,得到了节点的破坏模式和滞回曲线,研究发现节点破坏时主要为受压时的主管塑性变形及受拉时的焊缝边缘开裂,并且发现焊缝尺寸对管壁厚度较小的节点的滞回性能有不能忽略的影响。2013年,赵必大等[31]提出了考虑轴力作用的X形圆管相贯节点平面外受弯滞回模型。2016年,包树龙等[32]采用ABAQUS有限元软件分析了斜交角度、竖向拉板厚度、横向连接板厚度、径厚比等参数对空间相贯节点滞回性能的影响,指出对抗震性能影响最大的因素是斜交角度,其次是钢管径厚比,影响最小的是竖向拉板厚度和横向分隔板厚度。

由上述分析可知,国内外对相贯节点常温静力承载性能的试验研究、有限元模拟和理论分析均比较成熟,各国都在各自的研究基础上制定自己的规范和规程。对节点刚度性能、疲劳性能和动力性能的研究大多集中在平面相贯节点,而对空间相贯节点的研究较少。但在实际结构中,相贯节点往往是空间形式的,因此,对空间相贯节点性能的研究还有待深入。

3 高温承载性能研究

在危害建筑物的诸多灾害中,火灾是最常见、最危险和最具毁灭性的灾害之一。火灾高温对结构材料的力学性能具有显著的影响。对于普通钢,当温度达到400 ℃时,其强度开始明显下降;当温度超过800 ℃时,普通钢基本失去承载能力。火灾时,建筑室内温度半小时内即可达到800 ℃以上,此时无保护的金属结构在火灾中极易受到破坏,甚至坍塌。因此有必要对相贯节点的高温承载性能进行研究。

国外2013年,Tan等[33]对5个不同β值的足尺T形相贯节点进行支管受轴压的高温下恒温加载试验研究。节点的承载性能受温度的影响较大,主要原因在于随着温度的升高,材料性能退化和支管下部局部塑性区域改变导致节点承载力降低。随后通过有限元方法研究了边界条件、主管预压力和主管壁厚对高温下节点承载力的影响。2014年,Ozyurt等[34]对大量T形、Y形、X形、N形和K形相贯节点的高温极限承载力进行ABAQUS有限元模拟,并将有限元结果和欧洲规范以及CIDECT设计准则计算结果进行对比。研究结果表明高温下轴向受拉承载能力可以用常温下节点承载能力计算公式和高温下钢材极限强度来估计,而高温下节点的轴向受压承载能力可以用常温下节点承载能力乘以钢材弹性模量的折减系数来估计。2015年,Fung等[35]对T形相贯节点进行支管平面内受弯的高温承载性能试验研究和有限元模拟。研究发现,当温度达到700 ℃时,节点承载力降低到节点常温承载力的22.1%;随着温度的升高,节点失效模式发生改变。

国内,上海交通大学赵金城课题组、烟台大学邵永波课题组和华中科技大学高飞课题组对高温下相贯节点承载性能进行了试验和理论研究。2011年至2012年,上海交通大学赵金城课题组[36-38]相贯节点高温承载性能进行了一些列研究。

(1)对爆炸冲击和火灾作用下的T形圆管相贯节点进行了试验研究和有限元模拟,得到了节点的温度场的分布及临界温度。其破坏模式与常温下破坏模式相同,均为节点域主管表面的局部屈曲破坏。然而受冲击试件的临界温度为690 ℃,比未受冲击作用试件的临界温度高。

(2)对火灾作用后T形圆管相贯节点的受力性能进行了试验测试和有限元分析,指出节点火灾作用后的破坏模式仍为节点域主管表面的局部屈曲破坏。荷载比大小及升降温过程对节点刚度的影响要大于对其残余承载力的影响。几何参数中,当节点处于相同高温时,参数β及γ对节点残余承载力的影响要大于τ。

(3)采用人工神经网络对火灾下T形相贯节点承载力进行预测,通过与有限元结果进行对比,验证了人工神经网络模型的准确性。2012年,Feng等[39]对450个不锈钢T形方管相贯节点在22 ℃～870 ℃温度下的极限承载能力进行了有限元分析,得到了节点在恒高温作用下的破坏模式,主要为主管上翼缘破坏、主管侧壁破坏、上翼缘与侧壁共同破坏及支管局部屈曲破坏。另外,基于参数分析结果,推导了节点在高温作用下的承载力计算公式,且对公式进行了可靠性分析。

2013年,烟台大学邵永波课题组[40-42]对2个足尺K形和3个T形圆管以及2个足尺T形方管相贯节点的承载性能进行恒载升温试验研究。结果显示,当温度达到一个临界值时,节点突然失效,最终节点破坏表现为连接处主管表面的塑性屈服。采用ABAQUS软件对T形相贯节点高温性能进行有限元模拟,指出节点的几何参数和荷载比例对节点高温性能的影响极大。2013年,华中科技大学高飞课题组[43]利用有限元方法,采用恒载升温荷载的加载机制下研究了火灾下Y形圆管相贯节点的力学性能。2016年,Lan等[44]采用有限元方法研究了不锈钢T形和X形方管相贯节点的抗火性能,并提出其设计公式。2017年,邵永波等[45]对火灾后的两个足尺T形圆管相贯节点进行滞回性能试验,指出加热和冷却过程对节点的滞回性能影响不大。

现阶段,国内外对相贯节点高温承载性能的研究已经取得了一定的研究成果,特别是T形和X形相贯节点,许多研究学者给出相应的高温承载力公式。然而对于其他形式相贯节点的高温承载性能的研究还有待进一步深入,如K形、Y形、KK形等等。另外,上述总结的节点高温承载性能研究成果均是基于平面相贯节点,对于空间相贯节点高温承载性能的研究,基本处于空白状态。