k型圆钢管措接节点破坏模式研究

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1、K型圆钢管措接节点破坏模式研究【摘要】近年来，随着钢管结构的普及，对钢管节点性能的研究也引起了广泛的重视。平面K型搭接节点是钢管相贯节点的一种，由于两根支管的搭接作用而具有不同于一般相贯节点的特点。本文以大批量节点有限元分析结果为基础，对平面K型圆钢管搭接节点的破坏模式及其分布规律进行了研究。【关键词】钢管节点；K型搭接节点；破坏模式；节点有限元分析一、引言钢管结构因其优越的综合性能，得以广泛应用于公共建筑尤其是大跨度建筑中。钢管节点的设计是钢管结构设计中的关键环节。相贯节点又称直接焊接节点，是钢管节点最常见的形式之一。在其节点处，在同一轴线上的两个较粗的相邻杆件贯通，其余杆件通过端

2、部相贯线加工后直接焊接在贯通杆件的外表；非贯通杆件在节点部位可能存在间隙或相互搭接。其中在节点处贯通的钢管通常称为主管或弦杆，其余则称为支管或腹杆。相贯线切割曾被视为是难度很高的制造工艺，但现在广泛采用的计算机数控加工技术，已使其变得非常简单。相贯节点具有许多方面的优越性:外观简洁明快，构造简单，无附加零件，可节省钢材，且易于维护保养。因此，近年来相贯节点的应用已相当普遍。根据各杆件轴线是否处于同一平面，相贯节点可以分为平面节点和空间节点两大类；其中，平面节点的研究是空间节点研究的基础。按几何型式分类，工程中较多遇到的平面节点有：T型或Y型、X型、K型(包括间隙型和搭接型)、平面YK

3、或KT型、平面KK型等。对于T型、X型和K型间隙节点的破坏模式，已有较为充分的研究；对于此类节点，主管塑性破坏是最重要的一种破坏模式，《钢结构设计规范》(GB50017-2003)中的节点承载力计算公式也以此破坏模式为理论基础。K型搭接节点的受力机理与这几类节点有很大差异，对其破坏模式的研究尚不够深入。本文以大量的节点有限元分析结果为基础，对K型搭接节点的破坏模式及其分布规律进行了研究，旨在为此类节点破坏机理的认识和承载力公式的研究提供基础。二、K型搭接节点的破坏模式分类对于一般的相贯节点，主管管壁塑性破坏是一种常见的节点破坏模式；但K型搭接节点很难发生单纯的主管管壁塑性破坏。这是因

4、为，由于两支管相互搭接，彼此有互相牵制的作用，主管壁的凹陷变形必然伴随着一定程度的支管局部变形。文献⑴中的有限元分析结果也证实了这一点。对于承受平衡轴力的搭接节点，一部分荷载经由两支管间的搭接焊缝直接传递而不经过主管，这种传力上的特点使得受压支管局部屈曲破坏（BraceLocalBuckling,简称BLB）的破坏模式在搭接节点的破坏模式中占有相当比例。不考虑焊缝的破坏，K型搭接节点的破坏模式可分为以下几类：1、杆件破坏（MemberFailure,简称MF）模式,以杆件轴向达到全截面屈服为标志，包括支管杆件破坏（BraceMemberFailure,简称BMF）,以及主管杆件破坏（

5、ChordMemberFailure,简称CMF）。这种破坏模式下，节点区实际未发生破坏，实现了“强节点弱构件”。2、支管局部屈曲（BLB）破坏模式。此种破坏模式下，塑性变形主要集中于支管根部。3、支管局部屈曲（BLB）与主管管壁塑性（CP）的联合破坏模式（记为BLB&CP）。其特点为支管根部与主管管壁上同时发生了相当程度的塑性变形。三、K型搭接节点破坏模式的分布规律本文借助批量有限元分析的结果，对K型搭接节点破坏模式分布与节点参数的关系进行了研究。K型搭接节点的几何参数主要有：主管外径d,主管管壁厚度t,支管外径di,支管管壁厚度ti,两支管搭接长度q,搭接支管在主管上沿主管轴线方

6、向的投影长度po为方便研究和比较，采用以下无量纲几何参数：支管、主管直径比：主管半径、壁厚比：支管、主管厚度比：支管、主管之间的夹角：搭接率：本文采用有限元软件ABAQUS配合python脚本建立了90个节点模型；节点参数的取值范围如表3-1所示；其中，根据《钢结构设计规范》(GB50017-2003)中的规定，剔除了使di/tiW60的18种节点参数组合。另外，所有节点的搭接支管隐蔽部分均与主管连接；施加的荷载为两支管端部的平衡轴力，并使贯通支管受压。在建立节点有限元模型时，选用的单元类型为壳单元S4R；边界条件为，主管在搭接支管一侧端部刚接，在另一端释放轴向自由度，两支管端部均只

7、释放轴向和转动自由度；有限元模型中不考虑焊缝的影响;主管直径统一取为300mm,主管长度取为7倍主管直径，支管长度取为从冠点向外3倍支管直径；主支管钢材屈服强度均取作345MPa,抗拉强度均取作450MPa,强化刚度取为0.5%E；有限元求解方法采用弧长法。在进行批量分析前，选用文献［2］中的试验试件SJ6和文献⑶中的试件JD-1对有限元模型进行了校验，结果表明，本文建立的有限元分析模型均可以较为准确地模拟试验节点的力学行为（包括破坏形态、变形性能以及极限