橢圓鋼管T型節點應力集中系數分析

張正琦,程高,柳玉,張之恒

(1.陜西鐵路工程職業技術學院,陜西 渭南 714000;2.長安大學 公路學院,陜西 西安 710064;3.陜西省公路橋梁與隧道重點實驗室,陜西 西安 710064;4.舊橋檢測與加固技術交通行業重點實驗室(西安),陜西 西安 710064)

橢圓鋼管造型新穎,富有細長美感,截面圓滑無棱角,越來越受到建筑師的青睞。從建筑的角度來看,橢圓比圓形和矩形更有優勢,更能營造出造型優美的視覺感受[1];在結構受力方面,橢圓截面有強軸和弱軸之分,便于調整截面尺寸從而滿足受力要求。除此之外,橢圓還具有良好的流體力學性能,可有效減少水流和風對結構的沖擊作用,在橋梁、海洋平臺、機場、地鐵站及展覽館等結構中逐漸得到推廣應用[2-3]。

近年來,橢圓管節點的研究主要集中于管節點靜力性能研究。劉永健等[4]基于屈服線和沖剪破壞模型,對矩形管-管節點和板-管節點發生兩種破壞模式的支主管寬度比β的適用范圍進行理論分析,給出了屈服線和沖剪綜合破壞的承載力計算方法,為橢圓管節點的研究提供了參考;孫波等[5]認為目前國外對于橢圓鋼管的研究主要關注單個構件的受力性能,對于橢圓鋼管結構節點性能及橢圓鋼管混凝土柱性能的研究將會成為重點;陳娟等[6-7]通過對鋼管混凝土T型相貫節點的試驗和有限元分析得到鋼管內填混凝土可有效降低節點應力集中系數且使得應力趨向均勻;Haque等[8]進行了T、X型橢圓管節點受壓承載力試驗,重點研究了3種不同的支管-主管連接形式的節點承載力、破壞模式和主管局部變形量,結果發現短軸-短軸節點形式承載力最高,節點變形最小,橢圓管節點的承載力和破壞模式與矩形管節點更為接近;Shen等[9-10]進行了X型軸拉和軸壓作用下橢圓管節點強度試驗,指出X型節點受拉承載力高于受壓承載力,并在試驗基礎上,提出了橢圓管節點有限元模擬方法,進行了X型軸拉和軸壓作用下橢圓管節點強度的大量參數分析,分別將其橢圓管節點等效為圓管節點和矩形管節點,并給出了相應的管節點強度計算公式;Ozyurta等[11]在Haque等人的基礎上采用有限元法分析了高溫作用下橢圓T、X型節點的承載力,通過大量參數分析,對比了橢圓管節點承載力計算公式的適用性;程高等[12]分析了界面狀態對橢圓鋼管混凝土軸壓短柱的受力影響,得到了混凝土受力和僅鋼管受力模式下界面狀態顯著影響橢圓鋼管混凝土軸壓短柱的力學性能的結論。管節點存在應力集中現象,在循環荷載作用下,節點區域易形成微小的疲勞開裂,最終導致節點破壞。節點的抗疲勞性能是橢圓節點設計的一項必要內容,而應力集中系數是評估結構疲勞壽命一個非常重要的指標[13],但目前尚缺乏這方面研究工作。為此,本文采用數值模擬的方法對T型橢圓管節點應力集中系數展開研究,分析長軸-長軸、長軸-短軸、短軸-短軸3種連接形式在支管軸拉、面內彎曲和面外彎曲作用下節點的熱點應力位置和應力集中系數,同時分析管壁厚度對應力集中系數的影響,從而為其節點設計提供一定參考。

1 試件設計

針對橢圓鋼管T型節點應力集中現象,本文研究不同的T型節點連接形式及厚度對其性能的影響。在文獻[8]設計的3類T型節點的基礎上,本文設計橢圓鋼管T型節點受力試件,其中3類基準T型節點的構造尺寸及材料參數與文獻[9]一致,主、支管壁厚為6 mm,鋼材的屈服強度fy均為355 MPa。采用熱點應力法分析T型節點的疲勞性能,需要先確定熱點出現的位置,文獻[14]給出了圓形鋼管節點熱點可能出現的位置和相應的應力集中系數的計算公式。參考圓形鋼管節點的熱點位置,本文假設橢圓形鋼管節點熱點位置在靠近鞍點兩側及冠點,A、C點為冠點位置,B、D點為鞍部位置,試件參數見表1,3類試件構造形式及熱點位置見圖1。

表1 試件參數

圖1 試件構造形式及熱點位置

2 數值模擬

3類橢圓鋼管T型節點在支管受拉、支管面內受彎、支管面外受彎3種受力狀況下,考慮管壁厚度分別為4、5、6、7 mm時對節點應力集中系數的影響,建立共計36個模型。3種受力形式下結構強度和變形處于彈性工作狀態,故模型中不需要考慮材料非線性和幾何非線性。

(1)鋼材本構關系

模型中鋼材的本構關系采用的是線彈性應力-應變關系,鋼材的彈性模量為2.06×105MPa,泊松比取0.2。

(2)單元類型選取與模型網絡劃分

為了提高計算精度和效率,采用過渡網格劃分,在T型節點連接構造處加密網格,網格尺寸約為管厚的一半, 整體網格劃分見圖2。 基于ABAQUS軟件,鋼管采用S4R 4節點縮減積分的殼單元模擬。

圖2 整體網格劃分

(4)邊界條件

主管、支管與端板均采用綁定約束,在端板中心分別設置參考點RP-1、RP-2、RP-3并與端板進行耦合連接,約束參考點RP-1、RP-2在X、Y、Z方向的平動自由度和轉動自由度。根據受力需要,對參考點RP-3施加集中荷載F,所加集中荷載依據文獻[10]給出的支管軸拉、面內受彎及面外受彎的計算公式計算:

Faxial=a×t

(1)

(2)

(3)

式中:a為橢圓截面周長;t為截面厚度;其余參數已在上文中提及,此處不再贅述。

3 結果分析

3.1 熱點出現的位置驗證

利用ABAQUS軟件提取垂直于焊縫方向的應力,通過觀察比較可驗證3類橢圓鋼管T型節點熱點出現的位置與前文假設是否一致。此處熱點應力值取為垂直于焊縫方向的最大應力而非最大主應力。

為提取垂直于焊縫方向的最大應力值,本文通過在ABAQUS軟件中設置材料的方向性質提取4個垂直于焊縫的熱點應力值,其中A點取沿主管長度方向S11的應力值;B點取主管任一截面邊沿的切線方向S22的應力值;C、D均取沿支管長度方向S11的應力值。鑒于文章篇幅,本文僅給出鋼管厚度為6 mm時3類T型節點面外受彎時S11與S22方向的應力云圖,見圖3。

通過應力云圖分析可知,熱點位置與假設一致。支管在面外受彎作用下,T1型節點S11方向最大應力是T2型節點的15.0倍,是T3型節點的5.3倍;S22方向最大應力是T2型節點的22.0倍,是T3型節點的7.1倍,局部最大應力值遠大于T2和T3型節點,應力集中現象更為顯著。支管在軸拉和面內受彎作用下可得到類似結果。

3.2 應力集中系數值的提取與分析

應力集中系數(SCF)為最大局部應力與名義應力的比值,而設計構件名義應力為1 MPa,故局部最大應力即為應力集中系數值。為減小計算誤差,采用二次外推法擬合得到節點的熱點應力集中系數。根據文獻[14]可知,外推范圍在距節點Lr, min～Lr, max范圍內,支管和主管的外推位置見表2。

表2 二次外推范圍

3種受力狀況下,管壁厚度對各節點應力集中系數的影響規律基本相同,以壁厚6 mm為例,分析不同荷載作用下集中系數,見圖4。

(a) 支管軸拉

由圖4 (a)和圖4 (b)可知,軸拉荷載或面內受彎荷載作用下,T3型節點的鞍部和冠點應力集中系數相差不大。軸拉荷載作用下,T1和T2型節點各自鞍部應力集中系數分別是冠點的7.5倍和3.0倍;面內受彎荷載作用下,T1和T2型節點各自鞍部應力集中系數分別是冠點的47.5倍和1.9倍。由此可知,軸拉荷載或面內受彎荷載作用下,T1和T2型節點的鞍部應力集中系數水平顯著高于冠部。故而進行以支管軸拉或面內受彎為主的橢圓鋼管節點熱點應力試驗時,測點應重點布置于節點鞍部位置,節點焊接時其鞍部焊縫質量要求應不低于冠部。

軸拉荷載作用下,T1型節點鞍部應力集中系數分別是T2和T3型的1.3倍和3.9倍;面內受彎荷載作用下,T1型節點鞍部應力集中系數分別是T2和T3型的2.1倍和7.1倍。由此可知,在支管軸拉或面內受彎荷載下,T1型節點鞍部應力集中系數大于T2、T3型,抗疲勞性能相對最差,T3型節點應力集中系數最小,抗疲勞性能最佳,T2型節點次之。因此,在設計以支管軸拉或面內受彎為主的橢圓鋼管構件時,從節點抗疲勞性能角度出發,應優先考慮T3型節點,即短軸-短軸節點。

由圖4 (c)可知,面外受彎荷載作用下,T1、T2和T3型節點鞍部應力集中系數分別是冠點的19.5倍、70倍和30倍,表明3類節點鞍部應力集中系數水平顯著高于冠部,因此進行以支管面外受彎為主的橢圓鋼管節點熱點應力試驗時,測點應重點布置于節點鞍部位置。

面外受彎荷載作用下,T1型節點鞍部應力集中系數分別是T2和T3型節點的3.3倍和1.95倍。由此可知,在支管面外受彎荷載下,T1型節點鞍部應力集中系數大于T2、T3型,抗疲勞性能相對最差,T2型節點應力集中系數最小,抗疲勞性能最佳,T3型節點次之。因此,在設計以支管面外受彎為主的橢圓鋼管構件時,從節點抗疲勞性能角度出發,應優先考慮T2型節點,即長軸-長軸節點。

不同荷載作用下應力集中系數隨鋼管厚度變化見圖5。由圖5可知,不同受力狀況下管壁厚度對3種節點的應力集中系數值的影響規律一致:各熱點應力集中系數均隨管壁的增厚而減小。3種節點均是鞍部應力集中現象最為嚴重,T1型節點較T2、T3型節點最為顯著,以鞍部B點為例,以管壁厚度4 mm的試件為基準,厚度分別增加到5、6、7 mm,支管軸拉時,應力集中系數分別減小了33.0%、26.8%、23.3%;支管面內受彎時,應力集中系數分別減小了32.7%、26.9%、24.6%;支管面外受彎時,應力集中系數分別減小了35.4%、33.1%、23.1%。表明管壁越薄,應力集中系數增大越明顯,T1型節點應力集中系數對鋼材厚度更敏感,在同等抗疲勞要求下,T1型節點相比T2和T3型節點經濟性更差。

(a) 支管軸拉

4 結論

(1)進行橢圓鋼管節點熱點應力試驗測點應重點布置于鞍部,節點焊接時其鞍部焊縫質量要求應不低于冠部,尤其是長軸-長軸、長軸-短軸節點,其鞍部附近應力集中系數遠高于冠部。

(2)橢圓鋼管節點以等寬形式連接,即長軸-長軸和短軸-短軸連接時其熱點應力集中系數明顯較不等寬節點小,抗疲勞性能相對優越。就等寬節點而言,從節點抗疲勞性能出發,支管面外受彎時,建議橢圓鋼管節點構造設計以長軸-長軸節點為主。支管軸拉或面內受彎時,建議橢圓鋼管節點構造設計以短軸-短軸節點為主。

(3)橢圓鋼管可能的3類連接節點形式在荷載作用下應力集中系數均隨管壁厚度增大而減小,T1型節點應力集中系數對鋼材厚度更敏感,在同等抗疲勞要求下比T2和T3型節點經濟性更差。