T型圓鋼管相貫節點滯回性能研究*（建筑）

                                 魏科豐  付偉飛

                 （長江大學工程技術學院，湖北荊州  434020）

摘  要：以擬靜力試驗為基礎，分別對3個T型圓鋼管相貫節點進行低周反復試驗，主要研究T型圓鋼管相貫節點平面內加載作用下的滯回性能、破壞模式、延性系數以及平面內彎曲剛度問題。通過觀察3個試件的屈服和破壞現象，可知3個試件的破壞模式幾乎相同，均為支管相貫線區域焊接熱影響區的撕裂破壞，試驗結果表明：試件破壞的位置在支管處，焊接應力對節點的承載力有一定的影響。同時繪制滯回曲線，對節點的滯回性能進行分析和比較，分析節點相貫線附近的復雜應力情況，得出該處應力分布很不均勻：關于試件平面近似呈對稱分布。隨后求出了試件的節點轉角的延性系數：無論是正向還是反向，3個試件的轉角延性系數是依次增大的，這與主管的幾何尺寸增大呈相同趨勢。

關鍵詞：鋼管結構；T型圓鋼管相貫節點；滯回性能；破壞模式

DOI:10. 13206/j.gjg201605003

0  引  言

    在眾多的鋼管連接節點中，相貫節點的應用最為廣泛，相貫節點作為連接各個桿件交匯的關鍵所在，節點的破壞往往會導致與節點連接處的桿件失效，從而引起整個結構的破壞。近年來相貫節點的研究尤其是平面相貫節點的研究已經相當成熟，但這些成果大都集中在靜力承載能力的研究領域，關于動荷載作用下抗震性能和疲勞機理的研究不多，對低周反復荷載作用下的彈塑性滯回性能研究幾乎還未開始。本文通過3個主管不同截面的T型相貫節點進行低周反復靜力加載試驗，研究T型相貫節點在不同荷載作用下的受力變形情況，應用屈

服準則找出塑性點。試驗過程中通過觀察破壞現象，分析破壞機理，主要研究塑性變形過程中的屈服和破壞，T型節點的平面內剛度以及抗震性能，與相關的試驗或者理論研究進行對比，可為以后的研究提供參考。

1  試驗試件設計

1.1  試驗模型的選取

    試驗試件的主管和支管均為圓形截面鋼管，試件共有3種幾何尺寸節點。由于試驗加載裝置的限制，試件的幾何參數及外形尺寸如圖1和表1所示。其中，d為支、管截面直徑；D為主管截面直徑；為支主管徑寬比；t為支管截面壁厚；T為主管截面壁厚；1為主管徑厚比。采用Q235鋼管，E43焊條，全熔透焊接，焊縫高度6 mm。試件加工完成后，焊縫

及周邊打磨，不刷漆。試驗鋼管節點的鋼材均為Q235無縫冷軋鋼管，材料的屈服強度f _y=273. 17  M Pa，極限強度fu=341.46 M Pa，延伸率為27.5%，材料的彈性模量E=2.04×10⁵ M Pa。

1.2  加載制度及過程

    試驗采用支管端部平面內加載方式，水平荷載的施加按照位移控制（圖2）。加載初期，使每個循環峰值側移率△/L增加0.25%，直至0.75%，每級加荷循環一次。其中，△為支管端部加載處的側向位移，L為位移測點到主管表面的水平距離。對應△/L= 1%、2%、3%、4%……，每級加荷循環3次，直至柱頂水平荷載下降到極限水平荷載的85%以下或試件無法保持穩定時停止加載。試件加載分為兩個階段，第一階段循環1次，周期100 s，每個循環峰值側移率△/L分別為0.25%、0.5%、0.75%、1%時對應的水平位移為6，12，18，24 mm；第二階段循環3次，周期250 s，每個循環峰值側移率A//分別為2%、3%、4%、5%、6%、7%時對應的水平位移為48 ,72 ,96 ,120 ,144 ,160  mm。

2試驗現象及結果分析

    總結各國對直接焊接節點的試驗研究后表明，不同的節點類型、荷載情況與各種幾何參數可能使節點產生不同的失效模式。本試驗共有3種幾何類型的T型直接焊接的相貫節點，3個試件的主管截面各不相同，支管全部相同，通過在支管端部施加低周反復荷載，試驗數據繁多，過程復雜，從彈性階段到塑性階段、屈服階段，直至破壞，試驗現象明顯。

2.1  試驗現象

2.1.1  TE1試件的破壞過程和現象

    TE1試件的主管外直徑為108 mm，管壁厚為5 mm，支管外直徑為96 mm，支管壁厚為5 mm，支、主管徑寬比屆為0. 889，主管寬厚比y為21.6，支、主管厚度比為1.0。試驗表明，在位移達到24 mm時，試件才開始進入塑性階段，在試驗過程中，沒有按照24 mm為一個數量級逐步加載，為了控制精度，以其彈性比例極限的一半即12 mm為數量級進行加載。

    在開始加載前，嚴格地控制試件與液壓伺服作用器之間的間隙，做到緊密接觸之后，校準零點位置。開始加載時，由于此時處于彈性的比例極限階段，并且加載的位移很小，位移與荷載關系曲線幾乎是直線，一直到24 mm的時候節點開始屈服，后面按照12 mm為級差逐步加載，由于試件的跨度較大，破壞的位移也比較大，加載到72~84 mm時試件破壞，此時的荷載已經超過14 k N，節點的破壞形式見圖3。

    由圖3可以明顯地看到，試件的破壞位置在支管焊接上方的熱影響區，試件的主管并沒有太大屈服現象產生，焊縫的位置沒有破壞，僅僅是支管熱影響區撕裂。

2.1.2    TE2試件的破壞過程和現象

    TE2試件的主管外直徑為108 mm，管壁厚為6 mm，支管外直徑為96 mm，支管壁厚為5 mm，支、主管徑寬比為0. 889，主管寬厚比y為18.0，支、主管厚度比為0. 833。TE2節點的破壞形式見圖4。

TE2的破壞模式和TF1的破壞模式有所區別，從圖4可以看出，TE2的破壞位置在焊縫處，雖然也屬于節點焊接的熱應力區，但是裂縫的位置相對靠下一點，初步分析原因可能是焊接殘余應力和焊接缺陷的共同作用導致，因此焊接缺陷會對試件的破壞造成一定影響。

2.1.3    TE3試件的破壞過程和現象

    TE3試件的主管外直徑為114 mm，但管壁厚為6 mm，主管外直徑為96 mm，支管壁厚為5 mm，支、主管徑寬比p為0. 842，主管寬厚比y為19.0，支、主管厚度比為0. 833。節點的破壞形式見圖5。

    將TE3試件和前兩個試件進行對比，發現其破壞模式與TE1的破壞模式相同，都是在支管的焊接處的熱影響區，但是又有區別，TE3節點的撕裂位置和TF1相同，只是TF3為橫向，而TE1卻沿著相貫線，造成這種差別的原因主要是焊接導致的。

2.2  節點的破壞形態及模式

    以上簡要介紹了3個試件的破壞現象，經過觀察發現了許多相似點。這3個試件都是由零點開始加載，都經歷了彈性階段和塑性階段直到最后的破壞。從中可以看到，3個節點進入屈服狀態時，位移大約都是24 mm，雖然主管的橫截面積有所差異，但是屈服點卻相似，在此之前位移-荷載曲線都呈直線狀，初步認為屈服的位置在支管焊縫上方的熱影響區，由于支管采用相同的幾何參數，同樣材質的鋼管，這就很可能造成相似的屈服點。

    因為試件的主管幾何尺寸不同，這就造成了試件破壞時所達到的位移和荷載有所不同，如TE1、TE2、TE3試件破壞時的位移依次是82. 76，94. 43，83. 70 mm，3個試件達到的最大破壞荷載依次是14.3，19.3，18.0 k N，位移和荷載都不是依次增大的。造成破壞時位移和荷載有所差異的原因是主管橫截面的差異，由于試驗的3個試件主管截面面積是依次增大，但是極限承載力的差別說明了幾何尺寸也會對試件的極限承載力和極限位移產生影響。試驗表明：鋼管相貫節點在平面內荷載作用時，極限承載能力與主管、支管的橫截面積和幾何尺寸有很大的關系，另外焊接缺陷也對極限承載能力有一定的影響。

3  滯回性能研究

    根據試驗數據繪制3個試件在低周反復荷載作用下的荷載-位移曲線，如圖6所示。

    TE1的滯回曲線如圖6a所示，圖中無論是彈性階段還是塑性階段，整個圖形都呈現飽滿的梭形，表明整個試件具有很強的塑性變形能力和耗能能力，抗震性能好，且試驗數據也說明試件在試驗過程中滑移很小。

    TE2的滯回曲線如圖6b所示，圖中無論是彈性階段還是塑性階段，整個圖形都呈現飽滿的反S形，通過和TE1對比可以得到TE2在試驗過程中，出現了一定的滑移。但是滯回曲線依然飽滿且反S形不明顯，表明整個試件具有一定的塑性變形能力和耗  能能力，抗震性能好。

    TE3的滯回曲線如圖6c所示，圖中無論是彈性階段還是塑性階段，整個圖形都呈現飽滿的梭形，表明整個試件具有很強的塑性變形能力和耗能能力，抗震性能好。

    通過對比分析可以得出3個試件除了TE2在試驗過程中出現了較為輕微的滑移，3個試件試驗 的滯回曲線都呈現飽滿的狀態，表明T型相貫節點在變形能力和抗震性能上的能力是十分突出的。

    3個試件的滯回曲線表明，試件都經歷了彈性階段和塑性階段直到最后的破壞，從中可以看到，3個節點進入屈服狀態時，位移大約都是24 mm，雖然主管的橫截面積有所差別，但是屈服點卻相似，在此之前位移-荷載曲線都呈現直線，通過試驗現象和應變分析可以確定率先屈服和破壞的位置在支管焊縫上方的熱影響區。

4  結束語

    通過3個主管截面各不相同的T型相貫節點試件，分析了主管和支管的軸向應力-應變關系、相貫線區域周圍的應力-應變關系、試件的荷載-位移滯回曲線、試件的骨架曲線等，主要結論如下：

    1)試驗中3個試件的屈曲都是支管的局部屈曲且發生于受拉的一側，3個試件的破壞模式都是支管的剪切破壞，破壞位置都是支管的相貫線區域的焊接熱影響區。焊接的殘余應力對試件的破壞位置有很大的影響，在低周往復荷載作用下，3個T型相貫節點的滯回曲線均呈有一定寬度的梭形，滯回性能良好。

    2)通過比較得出，TE2的極限承載力和平面內彎曲剛度高于其他試件，這說明徑寬比和主管寬厚比y是影響節點極限承載力的兩個重要參數，節點剛度和強度隨著增大而增大，隨y減小而增大，并且y增大，節點的轉角變形也增大。相貫節點的節點域內應力集中，應力梯度大，試驗中應變片設置的位置和角度出現較小偏差都可能引起測量應變較大的變化，因此應采用試驗和有限元數值分析方法同時對節點域應力分布進行更可靠的研究。

    3)對T型圓鋼管相貫節點的平面內彎曲剛度進行了測試，試驗數據為進行結構整體性能分析提供了依據。所有試驗試件的破壞形態相似，表明其他參數一定的情況下，支管與主管直徑相差較多時，相貫節點剛度、強度均較弱，實際工程設計中宜對節點進行加強處理。支管與主管直徑接近時，節點剛度較大，基本能夠滿足節點剛接的要求。鋼管結構一般是按照鉸接處理的，一般不考慮其剛性，本次試驗中研究了其平面內的剛度問題，以區別于鉸接，為今后研究其剛性或半剛性連接問題提供數據支持。

    本文只對平面T型相貫節點的滯回特性進行了對比分析，沒有進行空間效應影響下特定幾何參數的T型節點的滯回性能研究。就目前相貫節點構造措施的改進而言，本文主要研究對象為直接相貫節點，今后應進一步加強對采取各種加勁措施的節點性能研究。本試驗中并沒有對節點隱藏焊縫施焊與否進行分析，建議以后的試驗中充分地考慮焊接缺陷的影響，盡量真實地模擬實際情況。