我國(guó)鋼管相貫節(jié)點(diǎn)的疲勞性能研究進(jìn)展

 鋼管相貫節(jié)點(diǎn)的疲勞問(wèn)題一直是各國(guó)學(xué)者研究的熱點(diǎn)，海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)因長(zhǎng)期承受海浪和風(fēng)等交變荷載作用，歷史上曾發(fā)生多起因節(jié)點(diǎn)疲勞失效導(dǎo)致的事故。由于這類(lèi)結(jié)構(gòu)多采用圓鋼管構(gòu)件，其研究成果多集中于圓管相貫節(jié)點(diǎn)。此后鋼管結(jié)構(gòu)在建筑和橋梁工程中得到廣泛應(yīng)用，截面形式拓展至包含圓管和方/矩管。目前國(guó)外各規(guī)范對(duì)于相貫節(jié)點(diǎn)疲勞評(píng)估仍以偏于保守的名義應(yīng)力法為主，對(duì)于國(guó)際首推的熱點(diǎn)應(yīng)力法，雖然已納入國(guó)外規(guī)范，但仍需深入研究和完善，對(duì)于更為準(zhǔn)確的切口應(yīng)力法和斷裂力學(xué)法，由于其使用復(fù)雜，研究難度大，尚未能被工程設(shè)計(jì)直接應(yīng)用。相比國(guó)外規(guī)范，中國(guó)規(guī)范則僅給出了名義應(yīng)力法。為進(jìn)一步提高節(jié)點(diǎn)抗疲勞性能，一系列新型相貫節(jié)點(diǎn)相繼被提出，其疲勞損傷機(jī)理和評(píng)估方法仍需進(jìn)一步研究。在此背景下，浙江宏盛特鋼有限公司對(duì)傳統(tǒng)相貫節(jié)點(diǎn)的疲勞性能研究進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)介紹，并指出了當(dāng)前研究的主要問(wèn)題和將來(lái)的研究方向。

  由于不少已建和擬建的鋼管結(jié)構(gòu)處于較高烈度的地震設(shè)防區(qū)，因此鋼管節(jié)點(diǎn)在地震作用下的響應(yīng)行為逐漸得到國(guó)內(nèi)外研究人員的關(guān)注。目前的主要研究手段是通過(guò)擬靜力低周反復(fù)加載試驗(yàn)評(píng)估節(jié)點(diǎn)的抗震性能。從2003年開(kāi)始，同濟(jì)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合國(guó)內(nèi)地震區(qū)鋼管結(jié)構(gòu)的大規(guī)模建設(shè)需求開(kāi)展相貫節(jié)點(diǎn)的抗震性能研究?；趶V州國(guó)際會(huì)展中心的工程應(yīng)用，對(duì)圓鋼管空間KK形節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了單調(diào)和滯回加載試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了以桁架結(jié)構(gòu)為加載對(duì)象的試驗(yàn)裝置。研究表明單調(diào)加載曲線可以包覆滯回曲線，節(jié)點(diǎn)在支管變號(hào)軸力反復(fù)作用下變形沿首次塑性開(kāi)展方向累積。基于足尺試驗(yàn)全面考察了T形節(jié)點(diǎn)分別在軸力和平面內(nèi)彎矩作用下的滯回行為，揭示了相貫節(jié)點(diǎn)在不同內(nèi)力條件下耗能機(jī)制的顯著差別，同時(shí)指出節(jié)點(diǎn)中的高應(yīng)力三軸度會(huì)導(dǎo)致低周疲勞荷載下的焊縫斷裂。基于上海光源工程單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用需求，針對(duì)具有較大壁厚的X形節(jié)點(diǎn)和小曲率平面KK形節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了平面外彎矩作用下的滯回加載試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)，具有較大的支管與主管直徑比的節(jié)點(diǎn)的典型失效模式為節(jié)點(diǎn)延性斷裂，但其表現(xiàn)出更好的延性和耗能能力，同時(shí)加載方向?qū)K形節(jié)點(diǎn)滯回響應(yīng)有顯著影響，基于理論分析給出了這些現(xiàn)象的機(jī)理解釋。以試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，通過(guò)理論建模和有限元參數(shù)分析，構(gòu)建了可考慮軸力作用的X形圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)平面外受彎滯回模型，為鋼管結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)分析奠定了基礎(chǔ)。

  主管和支管都是圓管的相貫節(jié)點(diǎn)焊接時(shí)需要進(jìn)行空間相貫線切割，在某些情況下對(duì)加工精度和成本要求較高，因此在一些工程(如廣州新體育館、新加坡MEGA展覽中心)中出現(xiàn)了用方/矩管代替圓管作為主管的相貫節(jié)點(diǎn)形式，稱(chēng)之為主方支圓(支管為圓管、主管為方/矩管)節(jié)點(diǎn)。對(duì)采用該連接形式的薄壁T形節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了受彎承載力試驗(yàn)，建立了考慮焊縫尺寸和彎角效應(yīng)的矩形主管屈服線模型，推導(dǎo)得到了節(jié)點(diǎn)受彎承載力計(jì)算公式。提出一種等效方法從而套用現(xiàn)有規(guī)范的矩形管節(jié)點(diǎn)軸向承載力計(jì)算公式，即用圓支管尺寸代替方支管尺寸后再乘以系數(shù)π/4。這一修正源自于直徑和邊長(zhǎng)相等的薄壁圓管與方管截面，其截面面積之比與周長(zhǎng)之比均為π/4的幾何關(guān)系。該等效方法雖簡(jiǎn)單但缺乏試驗(yàn)驗(yàn)證，且公式未考慮節(jié)點(diǎn)搭接時(shí)內(nèi)隱蔽部分焊接與否、支管軸力性質(zhì)、節(jié)點(diǎn)兩側(cè)主管軸壓力大小等因素對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力的影響。先后開(kāi)展了12個(gè)足尺N形主方支圓節(jié)點(diǎn)的承載力試驗(yàn)研究，試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮了上述影響因素，結(jié)果表明內(nèi)隱蔽部分焊接與否對(duì)主方支圓節(jié)點(diǎn)被搭接支管受拉的節(jié)點(diǎn)承載力影響較大，焊縫斷裂是內(nèi)隱蔽部分未焊接節(jié)點(diǎn)常見(jiàn)的破壞模式;內(nèi)隱蔽部分未焊接搭接節(jié)點(diǎn)在被搭接支管受壓情況下的節(jié)點(diǎn)承載力較被搭接支管受拉時(shí)大很多;節(jié)點(diǎn)兩側(cè)主管均有軸壓力時(shí)的搭接節(jié)點(diǎn)承載力較僅一側(cè)主管有軸壓力時(shí)要小;被搭接支管受拉的搭接節(jié)點(diǎn)承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于相應(yīng)的零間隙節(jié)點(diǎn)。進(jìn)一步的有限元分析表明，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行規(guī)范中的N形主方支圓搭接節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算公式對(duì)發(fā)生主管局部屈曲破壞模式并不適用，因此提出了考慮相關(guān)影響系數(shù)的修正建議。