反复荷载下圆钢管45°单插板节点承载力特性试验及理论分析

2019-03-02张大长王龙飞

土木工程与管理学报 2019年1期

王贵，张大长，王龙飞

(南京工业大学土木工程学院，江苏南京 211816)

近年来钢管塔由于有明显的经济、环保和社会效益等优点，在特高压输电线路工程、大跨越输电线路以及城市输电线路工程中钢管塔结构逐渐占据主导地位。目前钢管塔上的节点主要有相贯节点和插板节点。相贯节点是先通过机械加工，制成预定的钢管形状，然后拼接，钢管沿着相贯线焊接而成。相贯节点造型美观、结构简单，但是施工比较麻烦，所以导致成本比较高。插板节点可以分为Y形插板节点、T形插板节点、K形插板节点、N形插板节点以及单插板节点。其中，单插板节点因其结构简单、受力性能好、施工方便和施工时间短，广泛应用于大跨越输电塔、特高压输电塔以及各种信号塔。目前，对N形插板节点[1]、T形插板节点[2]、K形插板节点[3～5]和钢管相贯节点[6,7]的研究较为完善。对于单插板节点，陈志煜等[8]通过试验研究，分析了T型单插板节点的拉压极限承载力，并探讨了承载力的相关计算方法。栗新然[9]根据试验和有限元的结果，分析了钢管-插板节点的受压性能，明确了节点破坏主要为整体屈曲破坏和局部屈曲破坏两者形式。此外，对于单插板节点的连接形式及相应承载力特性也有一定的研究[10～12]。但对于反复荷载作用下的单插板节点承载力性能的研究相对较少。我国发生地震比较频繁，圆钢管45°单插板节点因承载力较高、截面抗弯刚度大和较好的结构整体性等优点，较为广泛地应用于输电线路杆塔结构中。因此，需开展圆钢管45°单插板节点抗震性能的研究，为输电杆塔结构的抗震设计提供参考。

本文以某输电杆塔工程为实例，开展反复荷载作用下圆钢管45°单插板节点试验，研究反复荷载作用下45°单插板节点荷载-位移滞回特性、拉压承载力特性、应变发展规律、破坏模式，分析反复荷载作用下45°单插板节点的首次屈服位移和荷载、延性、骨架曲线以及耗能性能。同时，建立圆钢管45°单插板节点的有限元模型，开展反复荷载下钢管45°单插板节点的滞回特性模拟。通过有限元与试验结果对比，分析钢管45°单插板节点滞回性能。

1 试验概况

1.1 试验节点

根据实际工程中圆钢管单插板节点的设计方法，对钢管45°单插板足尺节点试件进行设计。节点包含两种规格圆钢管，45°单插板节点构造和连接形式如图1(图中：hf为焊缝的焊脚尺寸；D和L见表1)所示，节点的尺寸参数如表1所示。

图1 插板节点尺寸/mm

编号主管节点板直径D壁厚t长度L厚度H宽度BJ-12196221010101J-22737281010101

1.2 加载方法

圆钢管45°单插板节点通过螺栓固定在钢支座上，支座与钢梁固定，作动器一端与反力墙固定。通过作动器对节点板施加拉压交变反复荷载，加载方式为变幅加载。利用应变片与位移计数据进行应变和位移的测量，观测不同加载阶段节点的变形特征，研究反复拉压加载下节点的受力特性。试验加载装置如图2所示。

图2 加载装置

由作动器控制加载位移，对节点沿45°的节点板方向进行反复加载。受压以每分钟1.5 mm的速度加载，当加载到7.5 mm，之后的每个循环受压都保持7.5 mm。受拉则以1.5 mm逐级递增，前两个幅度循环加载一次，当拉压幅度达到4.5 mm时，开始每种幅值循环两次。当受拉幅度达到13.5 mm后，每种幅值循环一次，直至节点破坏时停止加载。节点的加载制度如图3所示。

图3 加载制度

1.3 测试方法

为考察反复荷载作用下钢管45°单插板节点应变发展的特点和规律，在节点中主管的典型部位设置应变片，应变片布置如图4所示。

图4 应变片布置

2 试验结果及分析

2.1 失效模式

(1)单插板节点J-1

节点J-1的节点变形及失效模式如图5所示。反复加载初期，节点处于弹性阶段，节点变形较小；当加载达到屈服承载力后，节点板一端的主管管壁发生凹陷，节点发生塑性变形。随着反复荷载增大，主管局部塑性变形逐渐增大，节点板与钢管焊缝处首先出现细小裂纹。当反复荷载继续增大，节点板与钢管焊缝边缘发生裂缝。在反复荷载作用下，裂缝沿节点板长度方向进一步发展，最终节点发生撕裂破坏。

图5 节点J-1变形及失效模式

(2)单插板节点J-2

反复荷载作用下，节点J-2的节点变形及失效模式如图6所示。

图6 节点J-2变形及失效模式

在反复加载初期，节点无明显变形。当加载达到屈服承载力后，钢管的侧表面发生向外凸出，节点板一侧的钢管发生内凹。当节点受拉时，主管向上突起，节点局部发生塑性变形。随着反复荷载逐步增大，主管变形逐渐增加，钢管沿节点板焊缝处产生裂缝，最终主管沿节点板焊缝发生撕裂破坏。

2.2 应变发展

随着反复荷载逐渐增大，节点J-1的各个测点的应变均先后到达屈服应变。节点受拉时测点2的横向压应变发展较快，节点受压时测点3的横向压应变发展较快，表明测点2，3处的钢管变形较大，与试验发生的现象相吻合，且测点2，3处主管先发生塑性变形。测点4～6的应变随着荷载增长而逐渐增大，荷载与应变呈近似线性变化，表明测点4～6处主管的变形处于弹性阶段内。

随着反复荷载增大，节点J-2中各测点的应变先后达到屈服应变。当压力达到160 kN时，主管在测点4处发生局部受压凹陷，测点4的横应变突然增大，试验现象与测量结果相吻合。在整个加载过程中，测点5，6处的拉压应变均较小，表明测点5，6处的主管基本未发生变形。

3 节点荷载-变形特性的模拟分析

3.1 分析模型

圆钢管45°单插板节点的有限元分析模型中，钢材的本构模型选择混合强化模型，应力应变关系如图7所示。钢材的屈服强度为345 MPa，钢管、节点板和端板的弹性模量为200 GPa，泊松比为0.3。连接螺栓为8.8级高强螺栓，建模过程中忽略焊缝和残余应力的影响。

图7 应力-应变曲线

分析模型的网格划分如图8所示。在节点板与主管的连接区域适当提高网格划分密度，适当降低主管两端的网格划分密度，以提高计算分析效率。节点板与钢管、端板以及钢管之间的连接均采用绑定连接。在螺栓、端板和支座之间定义接触对，根据施加荷载和临界滑移荷载，定义螺栓连接的接触面的摩擦系数为0.4，法向接触为硬接触，避免螺栓连接滑移对节点有限元模拟的影响。

图8 分析模型

3.2 变形特性

为分析节点在反复荷载作用下的变形分布特点，提取有限元模拟中节点J-1和节点J-2的拉、压极限状态的变形分布如图9，10所示。

图9 极限状态时节点J-1的变形分布

在反复加载作用下，节点J-1，J-2的主管与插板的连接处产生凸出和内凹的局部变形。随着拉伸和压缩荷载的增加，主管塑性变形不断发展。在拉压极限状态时，节点中主管的变形集中在主管与单插板的连接处。有限元中节点达到极限承载力状态时主管变形分布与试验中主管的破坏形态基本一致。

3.3 荷载-位移特性对比

试验与有限元模拟得到的滞回曲线的对比如图11所示，模拟曲线与试验曲线较为吻合，其极限承载力和滞回环的发展趋势与试验结果基本一致。

在反复加载初期，节点J-1处于弹性阶段，加载曲线与卸载曲线基本重合，承载力随位移呈线性增长，滞回曲线所围面积较小，节点耗能不明显。随着反复荷载的增大，由于主管受压区域发生屈曲变形，节点的受压位移减小，节点的受压承载力下降。节点受拉侧和受压侧曲线所围面积不同，受拉侧曲线更为饱满，即节点的受拉耗能性能大于节点受压耗能性能。

图11 试验与模拟分析的荷载-位移滞回特性对比

节点J-2在反复加载初期的加载曲线与卸载曲线基本重合，节点处于弹性阶段，承载力随位移线性增长，滞回环所围面积较小，节点耗能不明显。随着反复荷载的增加，节点板与钢管已经发生裂纹，裂纹不断发展，螺栓连接处发生滑移，导致受压位移减小，节点的受压承载力降低。节点的受拉承载力仍缓慢增加。此时，节点J-2的滞回环较为饱满，滞回环的面积逐渐增大，节点的受拉耗能性能略优于受压耗能性能。

3.4 荷载-位移骨架曲线对比

骨架曲线是将滞回曲线中每一循环加载的最大荷载和相应位移连接获得的曲线。从两节点的滞回曲线中提取骨架曲线，分析节点的变形发展规律、拉压承载力特性以及各阶段荷载-位移曲线的变化特点。45°单插板节点的试验与有限元模拟的骨架曲线如图12所示。

图12 试验与模拟分析的骨架曲线对比

节点J-1，J-2的受力过程可分为弹性阶段、屈服阶段、承载力稳定增长阶段和承载力下降等四个阶段。两节点的骨架曲线试验值与模拟值弹性阶段基本重合，各阶段的承载力数值和曲线发展趋势基本相同。在受压加载后期，主管在与节点板的连接处出现凹陷和裂纹。随着主管凹陷程度的增加和裂纹的发展，在受压加载达到5.5 mm后，节点的受压承载力逐渐下降。