T型焊接圓鋼管節(jié)點(diǎn)在軸向循環(huán)荷載作用下滯回性能的有限元分析

摘要:焊接圓鋼管節(jié)點(diǎn)的抗震性能一般可以通過(guò)其滯回性能評(píng)估。基于ABAQUS有限元分析的方法，研究了反復(fù)軸力作用下T節(jié)點(diǎn)的滯回曲線。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)焊接T節(jié)點(diǎn)的滯回曲線十分飽滿，表明處于地震等強(qiáng)動(dòng)力作用下的T節(jié)點(diǎn)在破壞之前可以消耗較多能量，從而避免過(guò)早的脆性斷裂。基于滯回性能的分析，得出焊接圓鋼管T節(jié)點(diǎn)具有較強(qiáng)的抗震能力的結(jié)論。

關(guān)鍵詞:T型圓鋼管節(jié)點(diǎn)滯回性能有限元分析耗能性

中圖分類號(hào):TU7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)03(a)-0254-02

1 前言

圓鋼管的應(yīng)用近幾年得到迅速發(fā)展，尤其是在空間結(jié)構(gòu)和大跨結(jié)構(gòu)中，如橋梁、體育場(chǎng)、海洋平臺(tái)和機(jī)場(chǎng)等。鋼管結(jié)構(gòu)符合鋼結(jié)構(gòu)的最新設(shè)計(jì)理念，即將構(gòu)件的材料使用率、承重與穩(wěn)定這三方面進(jìn)行合并，發(fā)揮結(jié)構(gòu)的空間作用。圓管和方管的對(duì)稱截面形式使得截面的慣性矩兩軸相同，有利于單一構(gòu)件的穩(wěn)定性設(shè)計(jì);截面閉合提高了抗扭剛度，有利于板件的局部穩(wěn)定:與具有同樣承載性能的開(kāi)口截面相比，鋼管截面外表面積較小，減少了防腐防火涂層的材料消耗和涂裝工作量，對(duì)受風(fēng)載的結(jié)構(gòu)，鋼管結(jié)構(gòu)所具有的光滑表面比用其它型鋼制造的類似結(jié)構(gòu)所引起的風(fēng)動(dòng)載荷要小的多。雖然就單價(jià)而言，鋼管價(jià)格高于普通開(kāi)口截面形式的型鋼，但采用鋼管結(jié)構(gòu)帶來(lái)良好的綜合效益依然使得鋼管結(jié)構(gòu)成為優(yōu)選的基本結(jié)構(gòu)形式之一。

鋼管之間通過(guò)焊接組成了焊接管結(jié)構(gòu)，這其中焊接部位稱為管節(jié)點(diǎn)。通常的管節(jié)點(diǎn)都是主管直通，而支管直接焊接到主管表面上。由于節(jié)點(diǎn)部位存在很高的應(yīng)力集中，因此這個(gè)部位也是最容易發(fā)生破壞的位置。雖然前期的工作中對(duì)焊接管節(jié)點(diǎn)的靜力性能進(jìn)行和大量研究工作，并且我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范也對(duì)這方面的計(jì)算提供了方法。但是對(duì)于地震等強(qiáng)動(dòng)力作用下管節(jié)點(diǎn)的性能研究仍有待深入，因此本文對(duì)焊接圓鋼管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了軸向往復(fù)荷載作用下的有限元，以作為進(jìn)一步研究圓鋼管結(jié)構(gòu)抗震性能的基礎(chǔ)。

2 焊接圓鋼管節(jié)點(diǎn)的有限元模型

對(duì)于一個(gè)典型的圓鋼管T節(jié)點(diǎn)，其幾何構(gòu)造如圖1所示，其中各個(gè)參數(shù)的幾何意義如下:

D——主管的外部直徑；

L——主管的長(zhǎng)度；

T——主管的壁厚；

d——支管的外部直徑；

l——支管的長(zhǎng)度；

t——支管的壁厚；

θ——支管軸線與主管軸線的夾角(T節(jié)點(diǎn)取θ=90°)；

對(duì)于鋼材的材料參數(shù)取值，按照以下賦值:鋼管材料為各向同性的理想彈塑性材料，服從VonMises屈服準(zhǔn)則，鋼材本構(gòu)關(guān)系采用雙線性模型，屈服后材料的模量為彈性模量的1/200。鋼材為Q235，屈服強(qiáng)度為383MPa；鋼材的泊松比為0.3，鋼材的彈性模量為2.19×105MPa。鋼管尺寸:D=159mm；L=2000mm；T=4.5mm；d=121mm；l=300mm；t=4.5mm；θ=90°。

T節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格劃分均采用單元庫(kù)中三維8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元(C3D8R)。單元中每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有三個(gè)自由度:沿x、y和z方向的平動(dòng)自由度，此單元具有大撓度大變形性質(zhì)，適合進(jìn)行線性、非線性有限元分析。采用細(xì)化網(wǎng)格方法進(jìn)行網(wǎng)格收斂性分析。相貫節(jié)點(diǎn)弦桿與支桿交匯處應(yīng)力分布復(fù)雜，是分析的重點(diǎn)。因此在交匯處附近區(qū)域?qū)卧M(jìn)行細(xì)分，而在距節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)的管上，應(yīng)力分布比較均勻，應(yīng)力值較小，為節(jié)省計(jì)算容量和時(shí)間，采用較大單元?jiǎng)澐帧Ｔ诖酥g，單元粗細(xì)采用了均勻過(guò)度，沿厚度方向分為一層。如圖2所示。

3 T節(jié)點(diǎn)滯回性能有限元結(jié)果

在T節(jié)點(diǎn)滯回性能的有限元分析中，主管兩端施加鉸接條件，在支管端部施加逐漸增加的往返軸向位移。支管端部位移值所對(duì)應(yīng)施加的荷載大小可以通過(guò)支管端部所有節(jié)點(diǎn)軸向反力之和得到。在滯回分析中，支管端部施加的位移大小如圖3所示。

圖3中所示給出了T節(jié)點(diǎn)在軸向往復(fù)荷載作用下的滯回曲線，為了對(duì)比，同時(shí)將試驗(yàn)結(jié)果一并畫(huà)在圖中。從圖4中可以看出:(1)有限元模擬的結(jié)果基本和試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果吻合，說(shuō)明本文采用的有限元模型是可靠而精確的；(2)滯回曲線的整體形狀飽滿，無(wú)明顯的捏攏現(xiàn)象，曲線包圍的面積大，說(shuō)明節(jié)點(diǎn)在破壞之前所消耗的能量多，對(duì)抗震是有利的。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)焊接T型圓鋼管節(jié)點(diǎn)滯回性能的有限元分析及和試驗(yàn)測(cè)試對(duì)比，發(fā)現(xiàn)T節(jié)點(diǎn)的滯回曲線飽滿，曲線包圍的面積大，說(shuō)明節(jié)點(diǎn)具有較強(qiáng)的抗震能力。

參考文獻(xiàn)

[1]陳以一，沈祖炎等.圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)滯回特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2003，24(6):57-62.

[2]何遠(yuǎn)賓，郝際平等.T型、N型圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)滯回性能實(shí)驗(yàn)[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，31(7):730-739.