考慮損傷斷裂影響的X型圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)滯回性能研究

摘 要：相貫桁架網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是一種新型的大跨空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)形式，該類結(jié)構(gòu)的抗震性能受其相貫節(jié)點(diǎn)的滯回性能影響較大，因此對其典型的X型圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)的滯回性能進(jìn)行研究尤為重要。采用有限元模型進(jìn)行參數(shù)分析，改變支管與主管的壁厚比、徑厚比、管徑比、焊縫尺寸，分析不同參數(shù)的X型相貫節(jié)點(diǎn)在超低周循環(huán)荷載作用下的滯回性能，研究節(jié)點(diǎn)幾何參數(shù)變化對其滯回性能的影響，并采用考慮損傷累積效應(yīng)的微觀斷裂模型（cyclic void growth model，CVGM），預(yù)測各個節(jié)點(diǎn)的開裂時(shí)刻。研究結(jié)果顯示：支主管的壁厚比越小，節(jié)點(diǎn)開裂時(shí)刻越早，開裂荷載也越小，節(jié)點(diǎn)的滯回性能越差;減小主管壁厚可以使主管的剛度變小，節(jié)點(diǎn)的耗能能力降低，開裂時(shí)刻提前，開裂荷載降低;隨著支管直徑的增大，開裂時(shí)刻延后，開裂荷載增大;適當(dāng)增大焊縫尺寸可以延遲節(jié)點(diǎn)的開裂時(shí)刻，提高開裂荷載，增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)在循環(huán)荷載作用下的滯回性能。

關(guān)鍵詞：X型相貫節(jié)點(diǎn);幾何參數(shù);損傷累積;斷裂;滯回性能

中圖分類號：TU392.302 "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

近年來，采用相貫節(jié)點(diǎn)的圓鋼管相貫桁架網(wǎng)格結(jié)構(gòu)已經(jīng)在大跨度空間結(jié)構(gòu)中得到一定的應(yīng)用。該類結(jié)構(gòu)由于采用了相貫節(jié)點(diǎn)，與采用普通螺栓球節(jié)點(diǎn)和焊接球節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)相比，具有外觀簡潔、形式多樣的特點(diǎn)[1]。

相貫節(jié)點(diǎn)連接部位的相交線為空間曲線，形式復(fù)雜，應(yīng)力集中情況突出，與傳統(tǒng)的鋼節(jié)點(diǎn)受力分析存在較大差異。為了得到更為精確的分析結(jié)果，國內(nèi)外學(xué)者對該類節(jié)點(diǎn)做了大量研究，主要集中在相貫節(jié)點(diǎn)的靜力性能和抗震性能兩方面。靜力性能方面主要是通過試驗(yàn)研究、理論分析和有限元數(shù)值模擬以及幾種研究方法相結(jié)合的形式，通過試驗(yàn)結(jié)果回歸分析得出節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算公式和計(jì)算模型等，編寫到相應(yīng)的規(guī)范當(dāng)中[2]。在相貫節(jié)點(diǎn)的靜力性能方面已經(jīng)取得較為全面的研究成果[3-6]，但是在節(jié)點(diǎn)的抗震性能方面的研究還不夠深入。由于相貫節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)承載能力通常低于桿件的承載能力，在強(qiáng)震作用下可能會在桿件內(nèi)部產(chǎn)生超過節(jié)點(diǎn)承載力的荷載效應(yīng)，導(dǎo)致相貫節(jié)點(diǎn)處發(fā)生塑性損傷斷裂而引起整體結(jié)構(gòu)的破壞。因此，研究該類節(jié)點(diǎn)的滯回性能對保證整體結(jié)構(gòu)的抗震性能尤為重要[7-9]。

節(jié)點(diǎn)在循環(huán)荷載作用下，損傷累積引起的斷裂破壞也是相貫桁架網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下整體失效的一種破壞模式。傳統(tǒng)斷裂力學(xué)的分析方法均假設(shè)鋼材已經(jīng)存在初始裂紋和缺陷，并且在初始裂紋的尖端存在高應(yīng)變約束，這使得傳統(tǒng)斷裂力學(xué)主要適用于研究脆性斷裂問題[10]，并且傳統(tǒng)斷裂力學(xué)方法中沒有考慮應(yīng)力三軸度對鋼材塑性變形和損傷累積的影響。與傳統(tǒng)斷裂力學(xué)分析方法相比，基于材料塑性損傷累積的微觀斷裂模型（cyclic void growth model，CVGM），通過描述在超低周循環(huán)荷載作用下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系對材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)特性的影響，使用具有明確物理意義的微觀斷裂判據(jù)，以此來實(shí)現(xiàn)對鋼管相貫節(jié)點(diǎn)的延性斷裂的預(yù)測[11]。因此，本文對相貫桁架網(wǎng)格結(jié)構(gòu)典型X型圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)的滯回性能進(jìn)行分析，研究節(jié)點(diǎn)幾何參數(shù)變化對其滯回性能的影響。分析中采用CVGM斷裂判據(jù)，考慮循環(huán)荷載下?lián)p傷累積對節(jié)點(diǎn)開裂的影響，使滯回性能分析的結(jié)果更加符合實(shí)際。

2.2 有限元分析

采用通用有限元分析軟件Abaqus對試件BXH-2進(jìn)行有限元分析。考慮到試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的對稱性，取實(shí)際節(jié)點(diǎn)的1/4模型進(jìn)行建模，有限元分析采用Standard隱式分析求解器，分析過程考慮大變形和幾何非線性，網(wǎng)格的單元類型選用8節(jié)點(diǎn)線性六面體減縮積分單元（C3D8R）。節(jié)點(diǎn)的主管端部截面施加鉸接約束邊界條件，支管端部截面施加平面外往復(fù)位移荷載。有限元整體模型如圖2所示。

整體模型網(wǎng)格尺寸的確定原則為隨著網(wǎng)格尺寸的逐漸變小，整體模型的荷載-位移曲線不再發(fā)生明顯變化[14]，經(jīng)計(jì)算后取整體模型網(wǎng)格尺寸為5 mm。

2.4 斷裂預(yù)測

對試件BXH-2進(jìn)行有限元分析。荷載-位移滯回曲線及斷裂預(yù)測如圖6所示。圖6中，橫坐標(biāo)為支管相對于節(jié)點(diǎn)中心的位移，黑色圓圈為試驗(yàn)斷裂位置，紅色三角形為有限元分析CVGM模型預(yù)測的斷裂位置。由圖6可以發(fā)現(xiàn)：有限元分析得到的滯回曲線和試驗(yàn)曲線都在第10圈發(fā)生了斷裂，試驗(yàn)曲線斷裂時(shí)刻的位移在18.5 mm，斷裂時(shí)的極限承載力在142.9 kN左右;有限元分析得到的滯回曲線斷裂時(shí)刻的位移在23.5 mm，斷裂時(shí)的極限承載力為145.9 kN。有限元分析和試驗(yàn)結(jié)果比較接近，驗(yàn)證了采用斷裂判據(jù)進(jìn)行有限元分析的準(zhǔn)確性。

3 X型圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)滯回性能參數(shù)分析3.1 節(jié)點(diǎn)尺寸及幾何參數(shù)

節(jié)點(diǎn)尺寸根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50017—2017[2]的規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用控制變量法，分別從支管與主管管徑比β、徑厚比γ、壁厚比τ、焊縫尺寸hf等方面研究不同幾何參數(shù)對圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)滯回性能的影響。各個節(jié)點(diǎn)均采用全周角焊縫，焊根處未熔透厚度為0.5 mm。節(jié)點(diǎn)尺寸見表5。

3.2 單元選取與材料模型

采用通用有限元分析軟件Abaqus對表5中不同幾何尺寸的X型圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)在往復(fù)荷載作用下的滯回性能進(jìn)行有限元分析。由于在支管端部截面施加對稱軸向位移往復(fù)荷載，考慮到節(jié)點(diǎn)具有結(jié)構(gòu)對稱性，取整體節(jié)點(diǎn)的1/8模型進(jìn)行建模，并在對稱面上施加軸對稱邊界條件，節(jié)點(diǎn)主管端部截面施加鉸接約束。

節(jié)點(diǎn)鋼材采用Q345B無縫鋼管，在有限元分析中采用混合強(qiáng)化模型。鋼材本構(gòu)模型參數(shù)為參考文獻(xiàn)[16-18]的擬合結(jié)果。屈服強(qiáng)度取428 MPa，彈性模量取2.06×105 MPa，泊松比取0.3。

3.3 加載方式

加載方式根據(jù)《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》JDJ/T 101—2015 [19]的規(guī)定，循環(huán)加載采用位移控制的加載方式。前4個等級循環(huán)位移分別為1/4Δy、1/2Δy、3/4Δy、Δy，各個等級分別循環(huán)一次;節(jié)點(diǎn)達(dá)到屈服位移之后，每一等級的位移增量為Δy，2Δy，3Δy，4Δy，5Δy，……，各個等級循環(huán)3次，最后加載至節(jié)點(diǎn)發(fā)生斷裂破壞。表6列出了各個節(jié)點(diǎn)的屈服位移。

4 幾何參數(shù)對節(jié)點(diǎn)滯回性能的影響

4.1 壁厚比τ對節(jié)點(diǎn)滯回性能的影響

相貫節(jié)點(diǎn)GT-1、GT-2、GT-3的支管管端荷載-位移滯回曲線如圖7所示。圖中的三角形為各個節(jié)點(diǎn)的開裂位置。在滿足CVGM判據(jù)條件下，不同壁厚比τ對節(jié)點(diǎn)滯回性能影響的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，見表7。表中開裂時(shí)刻為有限元軟件中定義的分析時(shí)間，無單位。

由圖7可以發(fā)現(xiàn)：對比滯回曲線GT-1、GT-2、GT-3，在主管壁厚T不變的情況下，減小支管壁厚t，壁厚比τ也隨之減小，節(jié)點(diǎn)的滯回曲線飽滿程度不斷降低，曲線所圍成的面積不斷減小。由表7可以看出：隨著壁厚比τ的不斷減小，節(jié)點(diǎn)的開裂時(shí)刻提前，節(jié)點(diǎn)在循環(huán)更少圈數(shù)的荷載作用下就發(fā)生開裂，同時(shí)節(jié)點(diǎn)在開裂時(shí)的荷載也隨著壁厚比τ的不斷減小而降低。

4.2 徑厚比γ對節(jié)點(diǎn)滯回性能的影響

相貫節(jié)點(diǎn)GT-3、GT-4、GT-5的支管管端荷載-位移滯回曲線如圖8所示。在滿足CVGM判據(jù)條件下，不同徑厚比γ對節(jié)點(diǎn)滯回性能影響的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，見表8。

由圖8可以發(fā)現(xiàn)：對比滯回曲線GT-3、GT-4、GT-5，在主管直徑D不變的情況下，徑厚比γ隨著主管壁厚T的減小而不斷增大，節(jié)點(diǎn)的滯回曲線飽滿程度不斷降低，曲線所圍成的面積不斷減小。由表8可以看出：隨著徑厚比γ的增大，主管的剛度不斷減小，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的抗壓能力削弱，使得相貫線處的塑性破壞提前，節(jié)點(diǎn)的開裂時(shí)刻提前，節(jié)點(diǎn)發(fā)生開裂時(shí)所經(jīng)歷的循環(huán)圈數(shù)不斷減少，同時(shí)節(jié)點(diǎn)在開裂時(shí)的荷載也隨著主管壁厚T的不斷減小而降低。

4.3 管徑比β對節(jié)點(diǎn)滯回性能的影響

相貫節(jié)點(diǎn)GT-1、GT-6、GT-7的支管管端荷載-位移滯回曲線如圖9所示。在滿足CVGM判據(jù)條件下，不同管徑比β對節(jié)點(diǎn)滯回性能影響的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，見表9。

由圖9可以發(fā)現(xiàn)：對比滯回曲線GT-1、GT-6、GT-7，在主管直徑D不變的情況下，隨著支管直徑d的增大，管徑比β增大，節(jié)點(diǎn)的滯回曲線更加飽滿，曲線所圍成的面積越大。由表9可以看出：隨著管徑比β的增大，支管與主管的接觸面積增大，開裂時(shí)所承受的荷載變大，同時(shí)相貫線附近的塑性變形能力和耗能能力增強(qiáng)，節(jié)點(diǎn)在承受更多圈數(shù)的循環(huán)荷載后開裂。

4.4 焊縫尺寸hf對節(jié)點(diǎn)滯回性能的影響

相貫節(jié)點(diǎn)GT-1、GT-8、GT-9的支管管端荷載-位移滯回曲線如圖10所示。在滿足CVGM判據(jù)條件下，不同焊縫尺寸hf對節(jié)點(diǎn)滯回性能影響的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，見表10。

由圖10可以發(fā)現(xiàn)：對比滯回曲線GT-1、GT-8、GT-9，隨著焊縫尺寸hf的減小，節(jié)點(diǎn)的滯回性能不斷降低。由表10可以看出;隨著焊縫尺寸hf的減小，節(jié)點(diǎn)的開裂時(shí)刻提前，在更少圈數(shù)的循環(huán)荷載作用下就發(fā)生開裂，耗能能力減弱，同時(shí)在開裂時(shí)所承受的荷載也有所降低。

5 結(jié)論

本文基于考慮損傷斷裂影響的有限元分析模型，采用參數(shù)分析方法，改變支管與主管的壁厚比、徑厚比、管徑比、焊縫尺寸，分析不同參數(shù)的X型相貫節(jié)點(diǎn)在超低周循環(huán)荷載作用下的滯回性能，研究節(jié)點(diǎn)幾何參數(shù)變化對其滯回性能的影響，結(jié)論如下：

（1）支主管壁厚比減小時(shí)，節(jié)點(diǎn)開裂時(shí)刻提前，開裂時(shí)所承受的荷載降低，相貫節(jié)點(diǎn)的滯回性能降低。

（2）主管直徑不變，主管的徑厚比增大，節(jié)點(diǎn)的開裂時(shí)刻提前，開裂時(shí)的承載力降低，相貫節(jié)點(diǎn)的滯回性能降低。

（3）主管直徑不變，增大支主管管徑比，開裂時(shí)刻有所延后，開裂時(shí)所承受的荷載增大，相貫節(jié)點(diǎn)的滯回性能增強(qiáng)。

（4）增大焊縫的厚度，節(jié)點(diǎn)的開裂時(shí)刻推遲，節(jié)點(diǎn)的開裂荷載增大，相貫節(jié)點(diǎn)的滯回性能增強(qiáng)。參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯：周曉南）

Abstract： Tubular joint space frame structure is a new form of large-span spatial grid structure. The seismic performance of this kind of structure is greatly affected by the hysteretic performance of the intersecting tubular joints. Therefore， it is particularly important to study the hysteretic performance of typical CHS X-joints. By changing the wall thickness ratio， diameter thickness ratio， pipe diameter ratio and weld size， Finite element parameter analysis is carried out to study the hysteretic behavior of CHS X-joints， and the influence of geometric parameters on the hysteretic performance is studied. The micro fracture model （cyclic void growth model，CVGM） considering damage accumulation effect is used to predict the hysteretic behavior of CHS X-joints with the cracking time. The results show that： the smaller the wall thickness ratio of the main pipe is， the earlier the joint cracking time is， the smaller the cracking load is， and the worse the hysteretic performance of the joint is; reducing the wall thickness of the main pipe can reduce the stiffness of the main pipe， reduce the energy consumption capacity of the joints， advance the cracking time and reduce the cracking load; with the increase of branch pipe diameter， the cracking time is delayed， and the cracking load is increased; appropriately increasing the weld size can delay the joint’s failure， increase the cracking load ，and enhance the hysteretic behavior of the joint under cyclic load.

Key words： X-joints; geometric parameters; damage accumulation; fracture; hysteretic behavior