程　高,　刘永健,　俞文龙,　龙　刚,2

(1.长安大学 公路学院,陕西 西安　710064; 2.西安市政设计研究院有限公司，陕西 西安　710068)



方钢管混凝土X型节点受拉力学性能的非线性有限元分析

程高1,刘永健1,俞文龙1,龙刚1,2

(1.长安大学 公路学院,陕西 西安710064; 2.西安市政设计研究院有限公司，陕西 西安710068)

摘要:为研究主管轴力、内填混凝土对方钢管节点受拉力学性能的影响,文章进行了X型节点受拉的非线性有限元分析。以方钢管混凝土X型节点受拉试验为研究原型,改变主管的轴力比、宽厚比、支主管宽度比等参数,设计了12个方钢管混凝土和12个方钢管X型受拉节点试件，分别从节点承载力、抗拉刚度、支主管应力分布等方面进行了对比分析。结果表明:改变主管轴拉比、支主管宽度比及主管宽厚比,方钢管混凝土相对于方钢管的节点承载力提高均不显著;主管受轴压力作用时,方钢管混凝土节点承载力高于方钢管节点；方钢管混凝土节点的抗拉刚度、抗疲劳性能显著高于方钢管节点。

关键词:钢管混凝土;X型节点;受拉;轴力比;有限元分析

方钢管内填混凝土后钢管的抗屈曲性能增强,构件轴压承载力显著提高,节点处主管应力水平降低,抗变形能力增强,从而使得钢管混凝土结构在桥梁工程领域得到了较为广泛的应用。

钢管混凝土组合桁梁桥中主桁架是承受结构,其可能的破坏模式主要有支管的强度或失稳破坏、主管的强度破坏以及支主管连接节点破坏。节点容易成为桁梁桥结构的薄弱部位,节点设计是桁梁桥结构设计的难点,节点形式主要有Y型、K型、N型和X型。与Y、K、N型钢管混凝土节点相比,X型节点结构简单、受力明确,易于分析和揭示钢管混凝土受拉节点的工作机理。文献[1]进行了4个方钢管混凝土和1个方钢管X型节点的受拉试验,发现主管内填混凝土改变了节点区域应力分布,对节点承载力提高不显著,推荐采用矩形钢管节点承载力计算公式验算钢管混凝土节点承载力[2]。文献[3]进行了3个矩形钢管混凝土和3个矩形钢管T型节点受拉试验,发现矩形钢管混凝土节点极限承载力较高,但达到极限承载力时节点局部变形均较大,节点承载力由局部变形控制,计算钢管混凝土节点承载力时可不考虑管内混凝土作用,按矩形钢管节点承载力计算[4-5],并指出支主管宽度比较大时,主管内填混凝土可能提高节点承载力[3]。以上研究受试件数量限制,分析参数变化幅值较小,且未进行主管轴力的影响分析。为此,本文拟拓宽支主管宽度比、主管宽厚比的取值范围,并考虑主管轴力作用,对比分析方钢管混凝土和方钢管X型受拉节点在承载力、抗拉刚度及支主管应力分布等方面的差异,以期能够进一步揭示方钢管混凝土节点的受拉力学性能,为钢管混凝土结构的推广应用提供技术支持。

1试件参数设计

在X型钢管混凝土节点支管轴向受拉试验[1]的基础上,本文通过改变主管的轴力比k(主管轴力与截面轴压(拉)承载力之比)、宽厚比γ、支主管宽度比β等参数,设计了12个方钢管混凝土和12个方钢管X型节点受拉试件,其截面形式如图1所示。材料类型：钢管Q345,混凝土C30。

方钢管混凝土节点和方钢管节点几何参数相同,区别在于主管内是否填混凝土。标准型方钢管混凝土节点试件主管的长度、宽度及壁厚与试件Xt-26相同[1],为防止支主管宽度比较大时节点出现支管轴拉破坏,增加支管厚度至4.0 mm。第Ⅰ组、第Ⅱ组及第Ⅲ组试件旨在考察支主管宽度比β、宽厚比γ、轴压比k对X型受拉节点力学性能的影响。第Ⅰ组参数如下：t0取4.0 mm,b1分别取40、60、80 mm,k取0，变化参数为β。第Ⅱ组参数如下：t0分别取2.0、6.0、8.0 mm;b1取40 mm，变化参数为γ。第Ⅲ组参数如下：t0取4.0 mm,b1取40 mm,变化参数k取-0.2、-0.4、-0.6、-0.8、0.8 mm。其中,β=b1/b0,γ=b0/(2t0);k=F0/Fy0,k>0时主管受拉,Fy0=Asfy;k<0时主管受压,对于方钢管节点,Fy0=Asfy;对于方钢管混凝土节点[2],Fy0=Asfy+Acfc;As为主管钢管的截面面积;Ac为管内混凝土的截面面积;fy为钢材的屈服强度;fc为管内混凝土的轴心抗压强度;b1为支管的宽度;b0为主管的宽度;t0为主管钢管的厚度;F0为施加至主管的轴力;Fy0为主管截面的轴拉(压)承载力。

2X型节点非线性有限元模型的建立

采用ABAQUS软件建立X型节点的有限元分析模型,模型中考虑材料非线性、几何非线性及钢-混界面接触非线性。由于支主管连接焊缝的模拟与否对节点的承载力和抗拉刚度影响较大,故建模时模拟焊缝。

2.1　钢材和混凝土的本构模型

钢材的应力-应变关系采用二折线的弹塑性模型,钢材的屈服强度fy为325 MPa,极限抗拉强度fu为580 MPa,弹性模量Es为2.06×105MPa,泊松比νs为0.283。混凝土本构关系采用ABAQUS软件提供的混凝土损伤模型[6],混凝土单轴受压模型采用矩形钢管核心混凝土的应力-应变关系[7],混凝土单轴受拉模型采用文献[8]的应力-应变关系。混凝土轴心抗压强度fc为23.6 MPa,轴心抗拉强度ft为2.6 MPa,弹性模量Ec为2.8×104MPa,泊松比νc为0.167。

2.2　钢-混接触模型

钢-混界面接触模型由钢与混凝土界面的法向接触和切向黏结滑移构成。钢管与混凝土界面法向接触采用“硬”接触,接触面传递界面压力为p,界面切向接触采用“库仑摩擦”模型,即在τ≤τe时界面不发生相对滑动,在τ>τe时界面发生相对滑动,且剪应力保持为τe。其中,τe为剪力临界值,τe=up>τu,τu为界面平均黏结强度,取0.462 MPa[9];u为界面摩擦系数,取0.3。κ为界面黏结-滑移剪切模量[9],取0.165 MPa。

2.3　焊缝的模拟

2.4　单元类型选取与模型网格划分

主管钢管采用ABAQUS提供的S8R5壳单元,沿厚度方向的辛普森积分点为9个,网格尺寸约为6 mm×6 mm。混凝土采用C3D8R实体单元,网格尺寸为8 mm×8 mm×8 mm;支管采用S8R5壳单元,沿厚度方向辛普森积分点为7个,网格尺寸为8 mm×8 mm。加密焊缝处的单元网格,网格尺寸为3 mm×6 mm。钢管和混凝土采用结构化网格划分技术,焊缝采用自由网格划分技术,模型网格划分如图3所示。

2.5　边界条件

利用X型节点荷载和边界条件的对称性,取1/8节点模型进行数值模拟。主管受轴压力作用下支主管宽度比为0.6的1/8 X型节点模型的边界条件如图4所示。

主管钢管与钢性面采用绑定约束,并建立参考点RP1与钢性面的刚性连接。约束参考点RP1的DY、DZ、RX、RY、RZ的自由度,对参考点RP1施加轴压力F0,对支管壳单元施加Z轴正方向的壳单元荷载或位移。主管与支管、主管与焊缝及支管与焊缝连接采用绑定约束。对称边界条件的施加见表1所列。

2.6　模型验证与计算工况选取

试件Xt-26荷载-支管轴向位移曲线如图5所示。由图5可知,有限元计算值比试验值稍大,但变形规律整体吻合较好,有限元模型参数选取合理,可进行后续的数值模拟。

选取2种计算工况进行数值模拟。工况1为对Xs、Xsc类试件采用支管轴向位移加载10 mm,以得到各试件的节点承载力和抗拉刚度。工况2为对支管截面施加1 MPa的轴向拉应力,以得到各试件支主管的应力分布情况。

3结果分析

3.1　节点承载力

节点承载力N3为节点局部变形达到主管宽度的3%时所对应的荷载[11],节点局部变形是指主管顶板受支管轴拉力作用下向外鼓曲变形。通过对计算工况1的数值模拟分析可得节点承载力随支主管宽度比β、主管宽度比γ、轴力比k等参数的变化规律,如图6所示。

由图6a可知,方钢管混凝土和方钢管节点受拉承载力均随支主管宽度比β的增大而增大。方钢管混凝土节点的承载力略高于方钢管节点,但提高幅值受支主管宽度比β变化不敏感,说明支主管宽度比较大时,主管内填混凝土不可能提高节点承载力。由图6b可知,方钢管混凝土与方钢管的节点承载力随主管宽厚比γ的增大而减小,且两者的节点承载力接近。不同的主管宽厚比下,方钢管混凝土节点承载力与方钢管节点承载力相比，提高均不显著。由图6c可知,当k>0(主管受拉)时,方钢管混凝土和方钢管的节点承载力受轴力比k的影响不显著;当k<0(主管受压)时,方钢管混凝土和方钢管的节点承载力均随k的减小而减小,但方钢管节点承载力下降更为明显,方钢管混凝土节点承载力显著高于方钢管节点。

3.2　抗拉刚度

支管轴向荷载-节点局部变形曲线初始弹性阶段的斜率反映了节点的抗拉刚度K*。节点抗拉刚度K*随支主管宽度比β、主管宽度比γ、轴力比k等参数的变化情况如图7所示。

由图7可看出,方钢管混凝土和方钢管节点的抗拉刚度均随支主管宽度比β的增大而增大，随主管宽度比γ的增大而减小，随轴压力的增大而减小,受轴拉力的影响不显著；方钢管混凝土节点的抗拉刚度显著高于方钢管节点。

3.3　应力分布

对支管施加1 MPa的拉应力,以距支主管交汇处16 mm支管截面和主管顶截面的轴向应力作为评价指标,对比分析支主管宽度比β、主管宽厚比γ及轴力比k对X型节点连接区域支主管应力分布规律的影响,应力分析选取位置如图8所示。

图8中，Ⅰ-Ⅰ截面中线A、线B为支管应力分析位置,线A与主管轴向平行,线B与主管轴向垂直；Ⅱ-Ⅱ截面中线C为主管应力分析位置。规定拉应力为正,压应力为负。

不同支主管宽度比β、宽厚比γ和轴力比k对应的支主管应力分布情况如图9、图10所示。

由图9和图10可知,方钢管混凝土节点和方钢节点的支管截面A、截面B和主管C截面处应力随支主管宽度比的增大而减小，随主管宽厚比增大而增大。方钢管混凝土节点支、主管应力分布随轴力比的增大逐渐趋于均匀，方钢管节点支、主管受轴力比影响相对较小。方钢管混凝土支、主管应力水平比方钢管节点低。由此可见，主管内填混凝土可以降低节点的应力集中程度，从而提高了节点的抗疲劳性能。

综上所述,方钢管混凝土节点与方钢管节点相比支主管应力集中程度较低,节点抗疲劳性能较好。方钢管混凝土节点和方钢管节点支主管应力水平均随支主管宽度比的增大而减小,随宽厚比的增大而减小,方钢管节点应力水平受轴力比的影响不显著,方钢管混凝土节点随轴力的增大而减小。

4结论

(1) 方钢管混凝土X型受拉节点的承载力随支主管宽度比的增大而增大,随主管宽厚比的增大而减小。主管受轴压力作用下,方钢管混凝土节点承载力显著高于方钢管节点。改变支主管宽度比、主管宽厚比及主管轴拉力比例,方钢管混凝土节点承载力与方钢管节点承载力相比提高均不显著。

(2) 方钢管混凝土X型节点抗拉刚度显著高于方钢管节点。方钢管混凝土X型节点抗拉刚

度随支主管宽度比的增大而增大,随主管宽厚比的增大而减小。主管受轴压力作用下,节点抗拉刚度随着轴力比的增大而增大,主管受轴拉力作用下,节点的抗拉刚度随轴力比变化不显著。

(3) 方钢管混凝土X型节点与方钢管节点相比支主管应力集中程度较低,节点抗疲劳性能较好。方钢管混凝土节点应力水平均随支主管宽度比增大而减小,随主管宽厚比的增大而增大。方钢管混凝土节点支主管应力水平随轴力的增大而减小,方钢管节点支主管应力水平受轴拉力的影响不显著。

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[8]GB 50010-2010,混凝土结构设计规范[S].

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[10]GB 50017-2003,钢结构设计规范[S].

[11]刘永健. 矩形钢管混凝土桁架节点极限承载力试验与设计方法研究[D]. 长沙:湖南大学,2003.

(责任编辑闫杏丽)

Nonlinear finite element analysis of concrete-filled square steel tube X-connections subjected to tension

CHENG Gao1，LIU Yong-jian1， YU Wen-long1，LONG Gang1,2

(1.School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064， China; 2.Xi’an Municipal Engineering Design and Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710068, China)

Abstract:The nonlinear finite element analysis of X-connections was done to study the mechanics of square steel tube connections influenced by axial load and concrete. Based on the experiment of concrete-filled square steel tube X-connections subjected to tension, the axial load ratio, thickness ratio of chord and width ratio between branch and chord were changed. Twelve concrete-filled square steel tube X-connections and 12 square steel tube X-connections were designed for the numerical model. The differences among joints ability, tensile stiffness and stress distribution in branch and chord were analyzed. The results show that the joints ability of concrete-filled square steel tube X-connections is higher than that of square steel tube X-connections under the compression on chord. There is no significant enhancement in joints ability of square steel tube X-connections filled with concrete in different axial tensile ratio, thickness ratio of chord and width ratio between branch and chord. Compared with square steel tube, concrete-filled square steel tube X-connections have higher tensile stiffness and better anti-fatigue performance.

Key words:concrete-filled steel tube; X-connection; tension; axial load ratio; finite element analysis

收稿日期：2014-09-15；修回日期：2014-12-10

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51178051;5178068);交通运输部建设科技资助项目(2013318812410)和中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2013G3212001)

作者简介：程高(1988-),男,河南泌阳人,长安大学博士生； 刘永健(1966-)，男，江西婺源人，博士，长安大学教授，博士生导师.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2015.03.015

中图分类号:TU398

文献标识码：A

文章编号：1003-5060(2015)03-0358-06