我國鋼管相貫節(jié)點的疲勞性能研究進展

 鋼管相貫節(jié)點的疲勞問題一直是各國學者研究的熱點，海洋平臺結(jié)構(gòu)因長期承受海浪和風等交變荷載作用，歷史上曾發(fā)生多起因節(jié)點疲勞失效導致的事故。由于這類結(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。此后鋼管結(jié)構(gòu)在建筑和橋梁工程中得到廣泛應用，截面形式拓展至包含圓管和方/矩管。目前國外各規(guī)范對于相貫節(jié)點疲勞評估仍以偏于保守的名義應力法為主，對于國際首推的熱點應力法，雖然已納入國外規(guī)范，但仍需深入研究和完善，對于更為準確的切口應力法和斷裂力學法，由于其使用復雜，研究難度大，尚未能被工程設計直接應用。相比國外規(guī)范，中國規(guī)范則僅給出了名義應力法。為進一步提高節(jié)點抗疲勞性能，一系列新型相貫節(jié)點相繼被提出，其疲勞損傷機理和評估方法仍需進一步研究。在此背景下，浙江宏盛特鋼有限公司對傳統(tǒng)相貫節(jié)點的疲勞性能研究進展進行了系統(tǒng)介紹，并指出了當前研究的主要問題和將來的研究方向。

  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防區(qū)，因此鋼管節(jié)點在地震作用下的響應行為逐漸得到國內(nèi)外研究人員的關注。目前的主要研究手段是通過擬靜力低周反復加載試驗評估節(jié)點的抗震性能。從2003年開始，同濟大學研究團隊結(jié)合國內(nèi)地震區(qū)鋼管結(jié)構(gòu)的大規(guī)模建設需求開展相貫節(jié)點的抗震性能研究?；趶V州國際會展中心的工程應用，對圓鋼管空間KK形節(jié)點進行了單調(diào)和滯回加載試驗研究，設計了以桁架結(jié)構(gòu)為加載對象的試驗裝置。研究表明單調(diào)加載曲線可以包覆滯回曲線，節(jié)點在支管變號軸力反復作用下變形沿首次塑性開展方向累積?；谧愠咴囼炄婵疾炝薚形節(jié)點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)點在不同內(nèi)力條件下耗能機制的顯著差別，同時指出節(jié)點中的高應力三軸度會導致低周疲勞荷載下的焊縫斷裂?；谏虾９庠垂こ虇螌泳W(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的實際應用需求，針對具有較大壁厚的X形節(jié)點和小曲率平面KK形節(jié)點進行了平面外彎矩作用下的滯回加載試驗，研究發(fā)現(xiàn)，具有較大的支管與主管直徑比的節(jié)點的典型失效模式為節(jié)點延性斷裂，但其表現(xiàn)出更好的延性和耗能能力，同時加載方向?qū)K形節(jié)點滯回響應有顯著影響，基于理論分析給出了這些現(xiàn)象的機理解釋。以試驗結(jié)果為基礎，通過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)點平面外受彎滯回模型，為鋼管結(jié)構(gòu)的地震響應分析奠定了基礎。

  主管和支管都是圓管的相貫節(jié)點焊接時需要進行空間相貫線切割，在某些情況下對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)點形式，稱之為主方支圓(支管為圓管、主管為方/矩管)節(jié)點。對采用該連接形式的薄壁T形節(jié)點進行了受彎承載力試驗，建立了考慮焊縫尺寸和彎角效應的矩形主管屈服線模型，推導得到了節(jié)點受彎承載力計算公式。提出一種等效方法從而套用現(xiàn)有規(guī)范的矩形管節(jié)點軸向承載力計算公式，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相等的薄壁圓管與方管截面，其截面面積之比與周長之比均為π/4的幾何關系。該等效方法雖簡單但缺乏試驗驗證，且公式未考慮節(jié)點搭接時內(nèi)隱蔽部分焊接與否、支管軸力性質(zhì)、節(jié)點兩側(cè)主管軸壓力大小等因素對節(jié)點承載力的影響。先后開展了12個足尺N形主方支圓節(jié)點的承載力試驗研究，試驗設計時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主方支圓節(jié)點被搭接支管受拉的節(jié)點承載力影響較大，焊縫斷裂是內(nèi)隱蔽部分未焊接節(jié)點常見的破壞模式;內(nèi)隱蔽部分未焊接搭接節(jié)點在被搭接支管受壓情況下的節(jié)點承載力較被搭接支管受拉時大很多;節(jié)點兩側(cè)主管均有軸壓力時的搭接節(jié)點承載力較僅一側(cè)主管有軸壓力時要小;被搭接支管受拉的搭接節(jié)點承載力遠遠高于相應的零間隙節(jié)點。進一步的有限元分析表明，國內(nèi)外現(xiàn)行規(guī)范中的N形主方支圓搭接節(jié)點承載力計算公式對發(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影響系數(shù)的修正建議。