基于微观断裂机制外加劲肋X型圆钢管相贯节点承载力研究.pdf

第 卷 第 期贵州大学学报（自然科学版）年月 （）文章编号 （）：基于微观断裂机制外加劲肋 型圆钢管相贯节点承载力研究阳勇，黄政华，何响（贵州大学 土木工程学院，贵州 贵阳 ）摘要：为了研究外加劲肋 型圆钢管相贯节点的断裂行为，对本文设计的 个模型进行有限元分析，运用空穴扩张模型（，）对节点进行断裂预测。分析加劲肋几何参数和支主管外径比对外加劲肋型圆钢管相贯节点承载力的影响。运用 子程序分析节点断裂区域子模型开裂到完全断裂这一过程承载力的变化情况和裂纹扩展过程。结果表明：外加劲肋长度的增加会提高节点的承载能力，外加劲肋的厚度对节点的承载力影响不大。支主管外径比的改变会改变节点的破坏模式，随着支主管外径比的增加，节点刚度提高，节点的断裂出现在节点极限变形之前，外加劲肋对节点承载能力的提高效果会先增加后减小，当支主管外径比很大时，采用加劲肋加固的效果不再那么明显。无论是否设置外加劲肋，节点焊缝在开裂后，节点不会立即失去承载能力，节点从开裂到完全断裂过程中承载力会有所提高，随着相贯节点焊缝焊脚尺寸的增加，节点的承载能力逐渐提高，节点从开裂时刻到断裂时刻承载力提高的比率会逐渐增加。关键词：加劲肋；相贯节点；子程序；断裂；裂纹扩展中图分类号：文献标志码：钢管结构最先出现于海洋平台结构中，而随着建筑行业的不断发展，钢管结构广泛应用于机场、展览馆、体育馆、车站等大型建筑结构。钢管结构得到广泛的应用离不开其自身抗扭性能好、稳定性好、抗弯性强、施工简便、外观优美等优点。而随着多维数控切割技术的出现和发展，解决了相贯线切割困难等问题，使得相贯节点广泛应用于建筑结构中 。在实际工程中，由于受力的复杂性使得相贯节点不仅仅承受轴力，同时受到较大剪力和弯矩的影响，而对于钢管这样的薄壁结构，它的轴向刚度远远大于径向刚度，破坏总是源于节点传来的径向荷载，加上节点连接方式对应力分布的影响，使得破坏往往发生在节点处。所以，节点的性能是决定整体结构承载能力的重要因素。在实际工程中，通常会对节点进行加强来提高其强度，其加固方式有给主管节点加垫板、主管焊接外加劲肋、主管设置环口板、主管内填充混凝土、主管管壁局部加厚、节点外贴碳纤维布加固等 。隋伟宁等 对采用垫板加强的 型圆钢管节点进行分析，得出垫板参数会影响垫板加固的 型圆钢管的极限承载力。等 采用环口板加固 型节点，通过数值模拟的方法分析节点参数对承载力的影响，提出了加固型节点的承载力公式。李培阳等 对环口板加强的 型圆钢管进行轴向受力试验研究，发现节点会出现主管塑性变形过大、弦管局部凹陷、受拉支管焊缝断裂这三种破坏模式，环口板尺寸对节点极限承载力影响较大。罗永锋等 系统分析了加劲肋对相贯节点力学性能的影响，得出加劲肋能够提高相贯节点的承载力和刚度，从而提高结构的稳定性和节点的安全性。等 对外加劲肋加强的 型圆钢管进行轴压试验发现，随着加劲肋尺寸的增加，节点承载能力也随之增加，并证明了设计加劲肋高度和长度相等是合理的。李晨等 对加劲肋加强的 型圆钢管节点进行面内抗弯承载力试验研究，得出加劲肋能够提高节点的强度和刚度，使节点的承载能力提高。等 对承受轴向拉力的外加劲肋 型圆钢管节点进行试验研究和有限元模拟，收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）；贵州省科技计划资助项目（黔科合基础 ）作者简介：阳勇（），男，在读硕士，研究方向：空间钢管结构，：通讯作者：黄政华，：得出加劲肋明显提高节点的极限强度和初始刚度，从而提高节点的受拉性能。国内对加固型节点的断裂研究还比较少，相贯节点的断裂是一种延性破坏，断裂时塑性应变较大。与传统断裂力学相比，基于微观机制的断裂模型考虑了应力 应变场的影响，能够更准确地预测钢结构的断裂 。目前，单调加载下的微观断裂预测模型有 等 提出的 模型；等 校准了 钢的微观断裂参数；王睿智等 校准了 钢、钢、型焊材的微观断裂参数。所以，可以通过有限元的方法将 模型运用到钢结构中。尹越等 用 模型预测 型圆钢管的断裂，验证了 模型预测断裂的准确性。李金龙等 用 模型预测型圆钢管的断裂，并运用 子程序模拟节点的裂纹扩展情况，验证了支管间隙对断裂的影响。综上所述，用 模型预测相贯节点的断裂行为是可行的。目前，对于加固型圆钢管相贯节点都是以节点主管壁的塑性破坏做为节点的极限状态，往往节点主管达到塑性破坏时，节点是还能继续承载的，这时节点裂纹可能并未出现，为更好的分析节点的破坏模式，对节点断裂的研究是必要的，而微观断裂预测模型的出现可以很好地预测裂纹的产生，诸多学者已经对微观断裂预测模型进行了多方面验证，它在钢结构中是适用的，本文运用 模型对外加劲肋 型圆钢管相贯节点进行断裂预测，并分析加劲肋参数和支主管外径比对节点承载力的影响，分析节点的破坏模式，将 模型编入 子程序，运用断裂区域的子模型分析在不同焊缝的焊脚尺寸下节点承载力的变化情况和节点的裂纹扩展过程。基于微观机制的断裂预测模型 等人通过研究指出空穴扩张速率与应力状态的三轴度成指数关系，并最终推导出 表达式如下：（）（）式中，表示材料参数，它反应了材料的承载力；表示静水压力，（）；表示 应力；表示应力三轴度；表示等效塑性应变增量。在上述微观判据中，延性裂纹开展不是单个材料点的行为而是整体行为，因此，需要引入特征长度参数，微观断裂判据需要满足特征长度要求才能达到断裂条件。外加劲肋 型圆钢管相贯节点试验与有限元分析 试验与有限元模拟赵岩等 对加强和未加强 型节点进行轴向压力对比试验，研究外加劲肋加强方式对节点承载力的影响。本文通过数值模拟与试验对比，验证有限元建模的准确性，并用于外加劲肋 型圆钢管相贯节点承受轴向拉力的有限元分析，试件几何尺寸如表 所示。表 型节点试件几何尺寸 节点类型主管规格（）支管规格（）加劲肋长度 加劲肋厚度 注：“”表示不设加劲肋。通过 有限元软件的实体单元对支主管、焊缝、加劲肋进行建模。运用 功能将主管、支管、焊缝、加劲肋合并在一起。焊缝根部间隙取 。网格单元类型选用 ，网格尺寸整体取 。为了节省计算成本，又因 型节点是对称的，所以模拟了四分之一模型。主管两端都视为理想铰接，支管只有轴向位移，限制其他方向的自由度。文中各部件的材料属性均采用文献 中试验得到的材料属性。验证结果对文献中 、试件进行有限元模拟，与试验结果进行对比，结果发现有限元模拟的荷载 位移曲线与试验相似，极限载荷接近，这证明了有限元模拟的准确性。试验与有限元模拟的荷载 位移曲线如图 所示。表 试验与有限元模拟节点极限承载力对比 节点类型 第 期阳勇 等：基于微观断裂机制外加劲肋 型圆钢管相贯节点承载力研究图 试验与有限元模拟节点荷载 位移曲线 外加劲肋 型圆钢管相贯节点有限元断裂预测由于大部分节点承载性能的研究都集中在节点承受支管静压力的情况，而针对外加劲肋加强节点支管受拉都以它的极限变形准则判断节点的极限承载能力，对节点的断裂情况研究较少，本文通过设计 、三种不同类型支主管外径比的节点，而外加劲肋长度设计 、三种尺寸，外加劲肋厚度设计 、三种尺寸，组合得到 个节点模型来研究外加劲肋 型圆钢管相贯节点的开裂情况，并运用 子程序对不同焊脚尺寸的 个节点进行研究，分析节点的极限承载能力和裂纹扩展情况。有限元模拟运用 模型预测外加劲肋加固和未加固的 型圆钢管相贯节点的断裂。设计主管长度为 ，支管长度为 ，相贯节点焊缝和外加劲肋焊缝均采用全周角焊缝，焊脚尺寸 取 倍支管壁厚，焊缝根部间隙取 。采用实体单元建模，网格单元类型选用 ，整体网格尺寸取 ，为满足特征长度的要求并减少计算量，采用子模型技术，设计子模型 和子模型 ，网格尺寸从 到 进行过渡。由于 型圆钢管的对称性，所以采用八分之一节点建模。主管端部施加铰接约束，支管施加轴向位移荷载，对称面施加对称约束条件。节点尺寸如表 所示，有限元模型如图 所示。图 有限元模型 贵州大学学报（自然科学版）第 卷表 型节点几何尺寸 支主管外径比节点类型主管尺寸（）支管尺寸（）加劲肋长度 加劲肋厚度 注：“”表示不设加劲肋。节点断裂参数本文运用 模型对上述节点进行断裂预测，采用文献 校准的 钢的微观断裂参数和真实应力 塑性应变曲线。弹性模量取 ，泊松比取 。断裂参数如表 所示。表 判据断裂参数 材料特征长度下限平均值上限 钢母材 熔敷金属 断裂预测由 判据可知，在等效塑性应变最大、应力最大的区域最容易发生延性断裂，在整个加载过程初期，应力集中最严重的区域出现在相贯线鞍点焊缝内侧与支管相交的焊根处，如图 所示。提取该区域子模型 的主应力、应力、等效塑性应变等结果，运用 判据进行断裂预测，子模型等效塑性应变云图如图 所示。图 模型 应力云图 图 模型 子模型等效塑性应变云图 本文各模型的荷载 位移曲线如图 所示，其中纵坐标为支管轴力，横坐标为受拉支管轴向位移。节点承载力如表 所示。通过比较模型的荷载 位移曲线，比较开裂荷载可以发现，外加劲肋能提高节点的承载能力，原因是外加劲肋承受了部分荷载，减小了节点的应力集中。通过图 中模型的荷载 位移曲线，可以发现，随着加劲肋长度的增第 期阳勇 等：基于微观断裂机制外加劲肋 型圆钢管相贯节点承载力研究加，节点的开裂荷载也在增加，这证明加劲肋长度与节点的承载能力成正相关。加劲肋厚度的变化对节点承载能力几乎没有影响，节点的开裂荷载相差不大。文中只具体列出了模型 、和模型 、对比的荷载 位移曲线，如图 中（）和（）所示，通过图 中（）（）可知，其它模型也有此规律，为节省篇幅，故其它模型的荷载 位移曲线对比不在文中展现。在加劲肋厚度 不变时，模型支主管外径比 与节点开裂荷载的关系曲线如图 所示，其中，纵坐标荷载为节点的开裂荷载，横坐标为 值。表 型节点承载力情况 节点类型开裂位移 开裂荷载 主管变形 荷载 图 节点荷载 位移曲线 贵州大学学报（自然科学版）第 卷图 节点 与 的关系曲线 通过图 可知，在加劲肋厚度一定的情况下，当加劲肋长度不变时，随着支主管外径比 的增加，节点的开裂荷载逐渐提高。当 不变时，随着加劲肋长度的增加，节点的开裂荷载逐渐提高。在加劲肋厚度 等于 的情况下，当 为 时，外加劲肋加固的 型圆钢管相贯节点的开裂荷载随着外加肋长度的增加与未加固的节点相比，分别提高了 、；当 为 时，节点开裂荷载分别提高了 、；当 为 时，节点开裂荷载分别提高了 、。由此可知，加劲肋长度对节点的承载力的影响是显著的。当加劲肋长度为 时，外加劲肋加固的 型圆钢管相贯节点的开裂荷载随着 的增加与未加固的节点相比，分别提高了 、；当加劲肋长度为 时，节点开裂荷载分别提高了 、；当加劲肋长度为 时，节点开裂荷载分别提高了 、。由此可知，当 增大时，加劲肋对节点承载能力的提高效果先增加后减小，所以当 很大时，采用加劲肋加固的效果不再那么明显。通过表 中 与 的比值可知，当 较小时，开裂会出现在主管极限变形之后，随着 的增大，节点的刚度有所提高，开裂逐渐出现在主管极限变形之前，开始由延性断裂控制节点的极限承载力，所以 的增加会改变节点的破坏模式。焊缝尺寸 对节点极限承载力的影响及节点裂纹扩展分析为了正确分析节点的极限状态，进行 二次开发，将 判据编入 子程序，分析单调荷载作用下节点的断裂过程，考虑相贯节点不同焊缝的焊脚尺寸对节点承载力和节点裂纹扩展过程的影响。为了准确模拟节点的断裂情况，使其单元尺寸接近钢材的特征长度，同时节省计算时间，本文通过对节点断裂区域的子模型进行开裂预测，分析子模型从开裂到完全断裂时承载力的变化情况，并据此来判断在不同焊脚尺寸下，子模型开裂到断裂这段时间内节点承载力是否会提高。子模型网格尺寸为 。通过分析可知，当节点承受的荷载不断增加时，节点会发生较大的塑性变形，当达到开裂条件时，部分材料失效，退出工作。裂纹会从鞍点焊缝内侧焊根处沿着相贯线向冠点方向扩展，并且裂纹的扩展速度会随着节点塑性变形的增大而加快，节点断裂过程如图 所示。本文对模型 、分别采用焊脚尺寸为 、的情况进行有限元分析，其中，为较小管壁厚度，荷载 位移曲线如图 所示。图中为考虑裂纹扩展时子模型的开裂值，为考虑裂纹扩展时子模型完全断裂时对应的荷载值。节点在不同焊脚尺寸下的承载力如表 所示。第 期阳勇 等：基于微观断裂机制外加劲肋 型圆钢管相贯节点承载力研究图 模型 在 时的断裂过程 表 型节点在不同 下的承载力 节点类型焊脚尺寸 开裂荷载 极限荷载 图 模型 、在不同焊脚尺寸下的荷载 位移曲线 、贵州大学学报（自然科学版）第 卷通过对比模型 、在不同焊脚尺寸下的荷载 位移曲线可知，无论节点是否设置外加劲肋，它们的承载能力都随着节点焊脚尺寸的增加而增加。对比 判据和 子程序预测节点开裂的值可以发现，两者的吻合性较高，这证明将 编入子程序对节点裂纹扩展进行研究的准确性。通过对比节点的开裂荷载与极限荷载可以发现，对于模型 ，节点在 为 、三种尺寸下，节点从开裂到破坏过程中，承载力分别提高了 、；对于模型 ，节点从开裂到破坏过程中，承载力分别提高了 、；对于模型 ，节点从开裂到破坏过程中，承载力分别提高了 、；对于模型 ，节点从开裂到破坏过程中，承载力分别提高了 、。由此可知，无论是否设置外加劲肋，节点焊缝在开裂后，节点不会立即失去承载能力，节点从开裂到完全断裂过程中承载力会有所提高。而随着相贯节点焊缝焊脚尺寸的增加，节点开裂到完全断裂过程中承载力提高的比率会逐渐增加。其原因是当焊缝焊脚尺寸较小时，焊缝鞍点应力集中较为严重，再加上焊缝强度不够，使得节点开裂后很快就破坏，而随着焊缝焊脚尺寸的增加，焊缝强度增强，这会减缓节点焊缝的应力集中情况，所以节点的开裂荷载和断裂荷载均会有所提高。而加劲肋尺寸对节点开裂后继续承载的能力影响不大，其原因是本文所分析的模型断裂的位置都在焊缝处，所以焊缝强度对节点承载力的影响相对于加劲肋尺寸是比较大的。而在焊缝尺寸相同时，加劲肋对节点承载力的提高就体现得比较明显。所以在相贯节点焊缝满足规范要求时，运用外加劲肋加强 型圆钢管相贯节点是比较适用的。结论本文运用 断裂预测模型对外加劲肋 型圆钢管相贯节点进行有限元分析，讨论外加劲肋尺寸及支主管外径比对节点承载力的影响，用 子程序对不同焊脚尺寸的节点裂纹扩展过程进行研究，主要结论如下：）外加劲肋能提高 型圆钢管相贯节点的承载能力。加劲肋厚度对节点的承载能力影响不大，随着加劲肋长度和 的增加，节点的承载能力逐渐提高。而 可以控制节点的破坏模式，当 较小时，开裂会出现在主管极限变形之后。当 增大时，加劲肋对节点承载能力的提高效果先增加后减小，所以当 很大时，采用加劲肋加固的效果变得不明显。）验证了将 判据编入 子程序的准确性，裂纹会出现在相贯节点鞍点焊缝内侧焊根处，随着荷载不断增加，裂纹会沿着相贯线向冠点方向扩展。）无论是否设置外加劲肋，节点焊缝在开裂后，节点不会立即失去承载能力，还能继续承载一段时间，当达到焊缝极限时，节点会逐渐丧失承载能力直至破坏。随着焊缝焊脚尺寸的增加，节点的承载能力逐渐提高，节点开裂到断裂过程中，承载力提高的比率会增加。参考文献：黄政华，张其林，杨宗林，等平面钢管桁架的面外稳定分析模型研究 土木工程学报，（）：韩涵，郑涛，王旭东，等 形圆钢管相贯节点焊缝断裂预测及承载力分析 建筑结构，（）：夏义舒，黄政华，石小龙基于微观机制圆钢管 型相贯节点焊缝延性断裂预测及 角参数分析 空间结构，（）：朱金型带肋圆钢管相贯节点承载力与设计方法研究 西安：西安工业大学，郭杰，杜新喜，袁焕鑫，等内置横向插板加强空间相贯圆钢管节点受力性能研究 建筑钢结构进展，（）：，黄山山焊接外加劲环和外加劲肋加固 形圆钢管节点轴 向 受 力 性 能 研 究 北 京：北 京 建 筑 大学，隋伟宁，张信龙垫板加强 型圆钢管相贯节点力学性能的有限元分析 沈阳建筑大学学报，（）：，：李培阳，祝磊采用环口板加强的 形圆钢管节点轴向承载力试验研究 工业建筑，（）：罗永峰，郑博通，郭小农加劲肋对钢管相贯节点力学性能的影响 结构工程师，（）：，：第 期阳勇 等：基于微观断裂机制外加劲肋 型圆钢管相贯节点承载力研究 李晨，张大长，李布辉，等设置加劲肋圆钢管 型相贯节点面内抗弯承载力试验研究及模拟分析 工业建筑，（）：，：王伟，廖芳芳，陈以一，等基于微观机制的钢结构节点延性断裂预测与裂后路径分析 工程力学，（）：，（）：，（）：王睿智单调荷载和超低周荷载作用下钢材的微观断裂模型及其参数校准 长安：长安大学，尹越，车鑫宇，韩庆华，等基于微观断裂机制的 型相贯节点极限承载力分析 土木工程学报，（）：，李金龙基于微观断裂机制的 型圆钢管相贯节点性能研究 天津：天津大学，赵岩，李书文，黄宇星，等用外加劲肋加固 型圆钢管节点的试验研究 土木工程学报，（）：（责任编辑：于慧梅），（，）：（），（），；，：；贵州大学学报（自然科学版）第 卷