X型方钢管节点平面内受弯性能研究

陈栋芬;陈誉

【摘 要】In order to investigate the static behavior of SHS(square hollow section)X-joints under in-plane bending,geometry model and non-linear finite element analysis were carried out using ABAQUS software. Combining with verifying experiment,the failure mode,deformation process and ultimate capacity of SHS X-joints were investigated,the effect of joint action between axial force and bending mement on the ultimate bearing capacity was also discussed.The results showed that,under in-plane bending,tension side of chord protruded,compression side sunk,and the welds in tension side of brace failed.Node chord entered a plas-tic phrase and finally the sample failed due to large plastic deformation.The ultimate capacity increased re-markably as βvalue increasd.Under the joint action between axial force and bending mement,the ultimate bearing capacity decreased.%为考察 X 型方钢管节点在平面内弯矩作用下的静力性能，通过 ABAQUS 进行建模及非线性有限元计算，结合验证性试验，对节点的破坏模式、应变强度发展过程、极限承载力进行研究，并讨论轴力和平面内弯矩联合作用对节点极限承载力的影响。结果表明：节点在平面内弯矩作用下，发生弦杆受拉侧鼓凸，受压侧凹陷，腹杆受拉侧焊缝被拉开；节点弦杆最先进入塑性，最终由于塑性变形过大而导致试件破坏；试件极限承载力随着β值的增大而增大；在轴力和平面内弯矩联合作用下，节点的受弯极限承载下降。 【期刊名称】《郑州轻工业学院学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2013(000)006 【总页数】6页(P58-62,76)

【关键词】X型方钢管节点;平面内受弯性能;有限元分析 【作 者】陈栋芬;陈誉

【作者单位】华侨大学 土木工程学院，福建 厦门 361021;华侨大学 土木工程学院，福建 厦门 361021 【正文语种】中 文 【中图分类】TU392.3

本文拟采用ABAQUS有限元分析方法，从节点破坏模式、应变强度发展过程、极限承载力等方面对方钢管节点平面内受弯性能进行研究，并简要讨论轴力和平面内弯矩联合作用对节点受弯极限承载力的影响.将分析结果与试验结果进行比对，以验证有限元分析方法的可行性. 1.1 有限元模型

有限元模型如图1所示，为了便于与试验结果比较，消除端部加载条件对节点区域的影响，模型尺寸与试验试件一致，图2为模型与试件的尺寸示意图.模型与试件尺寸见表1.

本文有限元实用性分析在建立实体有限元分析模型时考虑了实际焊缝的存在，对节点的连接焊缝进行了模拟，建立了实体角焊缝模型，焊缝高度同实际测量结果，焊缝强度同母材.同时本文还考虑了残余应力的影响:横向残余应力在钢管相贯线处呈周期性拉压间分布;纵向残余应力除了在焊缝端部有较小的压应力外，其余均为拉应力;等效残余应力沿焊缝相贯线分布呈周期变化，应力最大值出现在每一焊缝段

的中心. 1.2 材性试验

采用ABAQUS建模时，材料特性由标准拉伸试验确定，测试方法依据《金属材料室温拉伸试验方法》(GB/T 228—2002)［9］的有关规定进行，材性试验试件示意图见图3，测得荷载位移曲线见图4.屈服强度fy和抗拉强度fu见表2，弹性模量E与泊松比取经验值. 1.3 试验加载装置

试验装置如图5所示，装置为自平衡体系，千斤顶对弦杆端部施加竖向推力，在节点区产生平面内弯矩.

图6为试验设备整体照片及试验流程示意图.整个试验系统包括:试验加载及测试系统、数据采集系统和监控系统.其框图和主要设备规格如下:主要设备及测试仪器型号:DH3816数据采集系统; BF—120—2A电阻应变计;YHD—50型、YHD—30型、YHD—100型位移传感器;YQ—320液压千斤顶、YQ—500液压千斤顶、YQ—100液压千斤顶.试验中位移传感器用万向磁性支架固定在不动体上.YHD—50型和YHD—100型电子位移传感器灵敏度为200 με/mm，最大量程为50 mm和100 mm，精度达到1 με.YHD—30型电子位移传感器灵敏度为300 με/mm，最大量程为30 mm，精度达到1 με. 1.4 网格划分

在进行管节点的有限元模拟时，单元类型采用八节点线性六面体非协调单元(C3D8I)，非协调单元的计算精度与二次单元十分接近，对位移求解的结果也较为精确，且有利于观察节点应力发展［10-11］.

网格划分采用结构化网格划分技术.网格密度的控制非常重要，经验表明，采用不同精度的网格划分方式，有限元的计算精度和计算时间也大不相同.当采用较稀疏的网格时，能够大大减少计算的时间，但是同时会使计算精度降低.故网格划分时，

为得到较理想的计算精度并尽量节约时间，对网格部分加密.在进行网格划分时，相贯区域的主管和支管的网格划分较密，对于节点的其余部分网格划分较稀疏，这样可以在保证结果精度的情况下大大降低计算成本.采用此网格划分方法得到的节点如图7所示，单元总数为14 584个. 2.1 破坏模式分析

通过ABAQUS的模拟得出3个试件的破坏现象均相同，如图8所示.X型方钢管节点在平面内弯矩作用下，主要发生弦杆受拉侧鼓凸，受压侧凹陷.通过与文献［12］中的试验现象比对，可以发现有限元模拟与试件实际破坏现象较为吻合.试验在加载末期均是由于腹杆根部焊缝开裂导致终止加载，因为腹杆根部焊缝位于节点区，因此可以认为焊缝破坏即该节点的破坏.从试件破坏模式上看，本次试验并未发生翘曲破坏，主要原因在于:翘曲破坏主要发生在受弯构件两端有比较强的约束情况(如梁柱节点中)，而本文试件主管径向刚度较小，破坏部位主要为主管表面.由于焊缝开裂的成因众多，且基于ABAQUS的连续介质分析，本文未对焊缝开裂情况进行模拟.

2.2 试件应力分布

图9为试件破坏阶段应力云图，由图9可以看出:腹杆远离相贯处的区域，应力较小且分布均匀，腹杆根部应力较大;弦杆靠近相贯处及支座部位，应力较大.弦杆的应力比腹杆大，应力最大值也发生在弦杆，故试件的破坏模式以弦杆破坏为主. 2.3 荷载应变曲线

通过分析测点应变的数据，可以了解腹杆根部截面、弦杆相贯区的应变强度变化和分布规律，用来研究节点域在平面内弯曲荷载作用下的塑性发展及破坏机理. 由图10测点的应变曲线可知:最先进入塑性的测点总是出现在弦杆受压一侧的测点中，而破坏时应变最大的位置出现在弦杆受拉侧，腹杆进入塑性的测点较少，在进入塑性的测点中，多出现在受拉侧.可以认为试件进入屈服的顺序及塑性发展如下:

首先在弦杆相贯区受压侧出现屈服，随着荷载的增加弦杆受拉区也出现屈服并进入塑性.

2.4 承载力比较

将模拟值和试验值与Eurocode3［13］以及IIW［14］中X型方钢管受平面内弯矩作用承载力设计计算公式进行比对，比对结果见表3.

通过试件极限承载力模拟值与规范承载力计算值的比对，可以看出模拟值与IIW规范的计算结果最为接近;Eurocode3规范计算值较为保守，并且与模拟值相差较大.从表3还可以看出随着β值的增大，试件的极限承载力增大.

实际工程中出现的受力情况并非单一的平面内受弯，往往由几种不同的受力情况联合作用，导致试验极限承载力与实际工程相差很大的情况.对此，本文将通过有限元模拟简要的讨论轴力和平面内受弯联合作用对X型方钢管节点受弯极限承载力的影响.

加载方式如图11，通过F1施加平面内弯矩，F2施加腹杆轴力.轴力和平面内弯矩共同作用下的荷载位移曲线如图12所示.由图可以看出，随着所施加在腹杆的轴力变大，节点的受弯极限承载力变小.这是因为在加载过程中，随着弦杆变形，施加在腹杆的轴力将产生对节点产生附加弯矩，使节点提前进入破坏，降低了节点的受弯极限承载力.

本文运用有限元软件ABAQUS对X型方钢管节点平面内受弯进行建模和计算，并与相应的试验结果进行比对，讨论了轴力和平面内受弯联合作用对X型方钢管节点极限承载力的影响，得到了以下结论:

1)试件在平面内弯矩作用下，破坏模式为:弦杆受拉侧鼓凸，受压侧凹陷，破坏发生在弦杆相贯部位，腹杆无明显破坏现象.

2)试件从屈服到破坏的全过程，弦杆相贯区受压侧首先出现屈服，随着荷载的增加弦杆受拉区也出现屈服并进入塑性，最终由于塑性变形过大而导致试件破坏.

3)节点极限承载力随着β值的增大而增大，极限承载力的模拟结果与IIW规范最为接近.

4)节点在腹杆轴力和平面内弯矩共同作用下，受弯极限承载力下降.

5)通过与试验结果比对，可知该试件在极限承载力、破坏模式等方面与试验值均吻合良好，可以作为参数分析的基础.

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