宋生志,魏建军,沈磊

(江苏建筑职业技术学院 江苏省建筑安全与减灾工程技术研发中心,江苏 徐州 221116;2.江苏九洲投资集团房产开发有限公司,江苏 常州 213000)

环口套管加强型T型圆钢管节点的滞回性能研究

宋生志1,魏建军1,沈磊2

(江苏建筑职业技术学院 江苏省建筑安全与减灾工程技术研发中心,江苏 徐州 221116;2.江苏九洲投资集团房产开发有限公司,江苏 常州 213000)

为了提高桁架管节点的承载力及抗震性能,采用环口套管加强方式对管节点进行加强.基于有限元分析环口套管加强型管节点在承受轴向循环荷载作用下的滞回性能.通过分析发现：环口套管加强模型滞回曲线包围的面积显著大于未加固模型滞回曲线所包围的面积.同时,由于环口套管提高了节点相贯部位的主管刚度,使得破坏部位于相贯处的焊趾处转移到了套管两端边缘部位的主管表面.此外,基于有限元计算结果,分析了模型的延性比和能量耗散等抗震性能参数.结果表明：加强型节点的延性比和能量耗散值均有大幅度提高.

T型圆钢管节点;环口套管;滞回曲线;有限元分析;抗震性能

圆钢管结构由于其优越的受力性能和优美 的造型,被广泛应用于抗震烈度设防较高区域的结构工程中.对于海洋平台、桥梁及堤坝等经常承受海风、海浪、海啸、地震等强动力作用的结构,需要重点对结构的敏感区域(管节点部位)进行加强.目前,国内外学者对管节点的滞回性能进行了研究,文献[1-2]对完全叠接形式管节点进行了滞回性能试验和有限元分析,发现此种形式管节点在循环荷载作用下其破坏部位发生了转变.文献[3-6]分别对不同形式的圆钢管节点进行了滞回性能试验和有限元分析,发现钢管节点耗能性能较好.文献[7]对T型方钢管节点进行了滞回性能试验测试,发现方钢管节点的延性较好,节点最终的破坏模式为主支管交汇处的断裂破坏.

基于相关文献的研究发现,管节点在循环荷载作用下,尽管具有较好的耗能性能,但是最终还是会在焊缝周围发生脆性断裂,原因是节点主管的径向刚度差所造成的.目前,对管节点主管径向刚度加强的方法较多,如内置加劲环或插板加强,局部加厚和垫板加强,环口板加强等[8-11]方法.本文提出了一种新型管节点加强方式-环口套管加强,此种方式操作简单,可对服役期内的节点进行加固.因此,研究环口套管加强型节点的抗震性能是非常有意义的.

1 环口套管加强型管节点模型

1.1 几何模型

环口套管加强型钢管节点如图1所示,可以对服役期内的管节点进行加强及维护.其加工方法是将一段内径与主管外径相同的钢管从中间沿轴向等分切开,且在两半块钢管的直线边切出一个与相贯线吻合孔口.孔边缘需进行削内边处理,以便和管节点相贯处焊缝能接触吻合.环口处的孔口边缘通过角焊缝焊接到支管表面,上下直线边采用坡口熔透焊彼此焊接在一起,两侧弧线边则通过角焊缝焊接到主管表面上.图1列出了管节点常用的几个相关无量纲参数β,γ和τ.

图1 环口套管加强型T型节点Fig.1 T-joint reinforced with collar casing pipe

1.2 有限元模型

环口套管加强型管节点模型均采用3-D实体8节点[C3D8R]减缩积分单元.这里采用实体单元而不采用壳单元进行建模的原因是实体单元可以反映出沿着管壁厚度方向上的应力分布的变化情况.实体单元可以准确地定义和模拟环口套管和主管表面之间的接触关系.在支管承受轴向作用力时,环口套管和其覆盖的主管表面之间变形不协调.因此,需要在环口套管内侧和其接触的主管表面之间建立接触单元.在接触分析中,环口套管内表面定义为从面,与其接触的主管外表面定义为主面,从面的网格密度需比主面的网格密度大.接触面的法线方向采用“硬”接触,这样垂直于接触面的压力可以完全在界面间传递.在切向方向采用罚函数,界面摩擦系数定为0.3.网格的密度对计算结果有一定的影响.为了提高计算效率及保证计算精度,在应力梯度变化较大的区域(主支管交汇处)采用密度较大的网格进行划分,在远离应力梯度变化较大的区域采用密度较小的网格进行划分.

2 有限元模型验证

采用上述建模方法建立环口板加强型管节点,有限元模型完全依照文献[12]中试验所提供的几何尺寸、材料属性、边界条件以及加载方式进行建立.图2显示了有限元模型计算与文献[12]中试验测试得到的滞回曲线对比图,从图中可见,有限元模拟和试验测试的滞回曲线吻合较好.表明采用上述建模方法对环口板加强型节点进行模拟计算是精确可靠的.由于环口套管加强型节点模型的建模思路和方法与环口板加强型节点模型完全一致.因此,本文建立的环口套管加强型节点模型可以用来准确计算分析其滞回性能.

图2 试验测试和有限元模拟滞回曲线Fig.2 Hysteretic curves of testing and finite element simulation

3 环口套管加强型管节点的滞回性能

为了研究环口套管对T型管节点滞回性能的提高效果,分别对环口套管加强型管节点模型和未加强管节点模型进行了有限元分析.加强型与未加强型管节点模型的几何参数见表1.

在对表1中的T型管节点模型的滞回性能进行有限元分析时,主管两端均采用铰接约束,在支管端按照规定的加载制度施加轴向压力和拉力.规定的加载制度为：初始循环的拉压最大位移为5 mm,每增加一个循环,其拉压最大位移均增加5 mm.整个试验过程采用位移控制的方法进行加载.节点主、支管及环口套管的材料模型均采用理想弹塑性模型,满足Von Mises屈服准则.弹性模量E=206 000 MPa,泊松比v=0.3,屈服强度为345 MPa.图3给出了两组加强与未加强模型的滞回曲线.从图中可以发现,两组模型滞回曲线中,加强型节点的滞回曲线所包围的面积均大于未加强模型滞回曲线所包围的面积,且加强型节点的每一个循环顶点处的荷载值也均大于未加强节点.这表明环口套管不但可以有效提高管节点的承载力,而且增大了节点的变形和延性.因此,加强后管节点在承受地震、海风及海浪等强动力荷载时,具有更强的耗能能力,即具有更好的抗震、抗风及抗海浪能力.

表1 T型管节点模型几何尺寸Tab.1 Geometrical dimensions of tubular T-joint models

图3 T型管节点模型的滞回曲线Fig.3 Hysteretic curves of T-joint models

4 环口套管加强型管节点的破坏模式

图4 轴向拉压T型管节点破坏模态Fig4 Failure modes of reinforced and unreinforced tubular T-joint under compression and tension

图4给出了环口套管加强节点和未加强节点分别在受压阶段和受拉阶段的破坏模式.从图中可以发现,加强节点在受压和受拉阶段的破坏模式均为环口套管两端边缘处主管表面的局部屈曲破坏.而未加强节点在受压阶段主要表现为主支管相贯处主管表面的局部屈曲破坏,在受拉阶段为主支管相贯处主管表面的屈服破坏及主管侧壁内倾凹陷破坏.以上分析表明：由于环口套管提高了节点相贯处的主管径向刚度,降低了主支管焊接处的应力集中,从而使得破坏部位发生了转移.因此,环口套管能有效地保护管节点相贯处,避免其发生局部屈曲及屈服破坏.

5 骨架曲线与延性比

延性比(μ)是用来衡量结构或构件抗震性能的一个重要指标,反映了结构或者构件进入屈服后以及达到破坏之前的变形能力,结构或构件的延性比越大表明其耗散地震能及承受非弹性变形的能力越强.延性比定义为：结构或者构件的极限位移与屈服位移的比值,即：μ=δu/δy,其中δu和δy分别表示极限位移和屈服位移.极限位移和屈服位移的值是通过滞回曲线的骨架曲线确定.在图3的滞回曲线中,将每个加载循环中的荷载峰值点连接起来形成的曲线,即为骨架曲线.如图5为加强节点和未加强节点的骨架曲线.

由图5可以看出,两个节点模型在低周往复荷载作用下,分别经历了弹性段、屈服段和强化段.骨架曲线由弹性段向屈服段过渡过程中存在一个拐点,此点定义为屈服点,其所对应的位移为屈服位移.在每一个循环荷载结束后,节点主管均存在一定的残余变形,当主管残余变形达到主管直径的3%时,此加载循环荷载中的峰值点定义为极限荷载点,其所对应的位移为极限位移.由图5两组模型的骨架曲线可以得出加强模型和未加强模型在受拉和受压状态下的延性比μ见表2.

表2 模型的延性比Tab.2 Ductility ratios of the models

由表中的数据可以看出：环口套管加强型管节点模型在受拉和受压状态下的延性比均大于未加固管节点模型在对应状态下的延性比,表明环口套管有效提高管节点的延性,增强了管节点的抗震性能.

6 能量耗散比率

能量耗散比率μa是研究管节点滞回性能的另一个重要指标,其定义为：.

式中：Ey为首次达到屈服变形δy时所吸收的能量,k N·m,其计算表达式为Ey=pyδy/2;Eti和Eci分别表示受拉和受压半循环的能量耗散,k N·m;N为循环次数.能量耗散比率ηa值越大,说明非弹性阶段的耗能占总耗能的比重越大,构件的抗震性能就越好.表3给出了环口套管加强模型和未加强模型的累积能量耗散比.从表中数据可以看出：无论对于加强节点还是未加强节点,其能量耗散比率均较大,表明两者主要靠非弹性阶段的变形来进行能量耗散.但相比之下,加强节点在非弹性阶段的耗能更多.因此,进一步表明加强型节点具有更好的抗震性能.

表3 滞回曲线能量耗散比Tab.3 Energy dissipation ratio of hysteretic curves

7 结论

基于对两组环口套管加强型和未加强型管节点模型的有限元分析,得到以下结论：

1)采用环口套管加强方式可以改变管节点的破坏模式,破坏部位由节点相对薄弱的相贯焊趾处转移到了环口套管两端边缘部位的主管表面.

2)采用环口套管加强方式不但可以有效提高管节点的静力强度,而且可以增大节点破坏前的变形能力,加强型节点的滞回曲线更加饱满,包围的面积更大,延性比大,耗能能力强,具有更好的抗震性能.

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Study on hysteretic behaviour of tubular T-joint reinforced with collar casing pipe

SONGSheng-zhi1,WEI Jian-jun1,SHEN Lei2
(1.Jiangsu Research&Development Centre of Construction Safety and Disaster Mitigation,Jiangsu Jianzhu Institute,Xuzhou,Jiangsu 221116,China;2.Jiangsu Jiuzhou Investment Group Real Estate Development Co.,Ltd,Changzhou,Jiangsu 213000,China)

In order to improve the bearing capacity and anti-seismic behaviour,the tubular T-joint is reinforced with collar casing pipe.The hysteretic behaviour of tubular T-joint reinforced with collar casing pipe is studied under axial cyclic load by finite element method.It is found that the enclosed area of the reinforced model is remarkably bigger than that of the un-reinforced one.Meanwhile,because the stiffness of tubular T-joint is improved by collar casing pipe,the failure position transfers from the weld toe to the chord surface near by the end edge of collar casing pipe.Additionally,the ductility ratio and the energy dissipation of the models are analyzed based on results of finite element calculation and the results show that the ductility ratio and energy dissipation of the reinforced model have been improved greatly.

Tubular T-joints;collar casing pipe;hysteretic curve;finite element analysis;seismic behaviour

TU 398

A

2095-3550(2014)01-0016-05

2013-12-27

江苏省建设科技项目 (201307310010)

宋生志,男,山东德州人,工程师,硕士

E-mail：songshengzhi@126.com

(责任编辑：陶红林)