加勁肋寬厚比對鋼管-板節點承載力的影響

崔進波,蘇明周,楊俊芬,向 洋

(西安建筑科技大學土木工程學院,陜西西安 710055)

加勁肋寬厚比對鋼管-板節點承載力的影響

崔進波,蘇明周,楊俊芬,向 洋

(西安建筑科技大學土木工程學院,陜西西安 710055)

以實際工程中設有1/4環加勁肋的鋼管-板節點進行足尺模型試驗和有限元分析,通過改變加勁肋的寬度或厚度,得到增加加勁肋的厚度或寬度均可提高節點的極限承載力,且增加厚度比增加寬度更為有效。研究結果不僅為實際工程的建設提供了參考依據,還豐富了此類節點研究的數據庫。

鋼管-板節點;1/4環加勁肋;厚度或寬度;極限承載力

隨著我國經濟的快速發展,社會對用電的數量和質量要求越來越高,也給輸變電工程的發展帶來了挑戰和機遇[1]。輸變電塔架中常用的節點形式主要有相貫節點和鋼管-板節點兩種,目前國內外對相貫節點的研究比較成熟,而對鋼管-板節點的研究還很少[2-5],且現有規范中承載力的計算公式沒有考慮加勁肋的影響。本文以某1000 kV特高壓交流變電站實際工程為背景,對設置了1/4環加勁肋板的鋼管-板節點承載力進行足尺試驗研究和有限元分析,分析加勁肋板厚度和寬度對承載力的影響,對指導設計此類節點有重要意義。

1 試驗研究

1.1 試驗構件、安裝及加載

參照1 000 kV示范站的鋼管-板節點,制作了兩個相同的足尺標準試件S1和S2,主管為 Ф 480×12 mm,1/4環加勁肋寬度h和厚度t分別為60 mm和5 mm。各構件之間均采用焊接連接,材質均為Q345B。管底部與底座剛接,主管軸向壓力N通過兩個量程為1 000 kN液壓千斤頂對稱的施加于主管頂部,作用于節點板圓孔處的豎向拉力T通過量程為500 kN液壓千斤頂施加在銷鉸上,圓孔形心距管壁400 mm,拉力T對主管管壁產生彎矩使其受彎,以T來等效的研究節點的極限承載力。主管壓力按軸壓比為0.3施加,單獨將N=1 800 kN施加于主管頂部,停歇10 min,保持此力大小不變。待N穩定后再逐步施加拉力T,直至試件破壞,利用傳感器來控制荷載的大小。卸載時先逐步卸掉拉力T,然后再卸掉軸壓力N。在A點布置1號位移計,監測主管管壁的內凹變形;在B點布置2號位移計,監測主管管壁的外凸變形,以方便繪制荷載位移曲線。試件加載簡圖如圖1所示。

圖1 試件加載簡圖

1.2 材性試驗

依據國家標準[6-7]的有關規定,共進行4組單向拉伸試驗,每組3個試件,材性試件尺寸如圖2所示,試件頸縮如圖3所示。

圖2 材性試驗試件加工圖(mm)

圖3 試件頸縮

材料試驗結果為屈服強度為410 MPa、抗拉強度為520 MPa、彈性模量為2.1×105MPa,均滿足規范要求。

1.3 試件破壞現象

試件S1:當T為200 kN時,上加勁肋環板產生輕微的翹曲變形,同時主節點板與主管連接的焊縫出現數條受力斜紋;T為300 kN時,A點管壁有可視的凹陷變形,B點管壁也略向外凸出變形,同時上加勁肋環板變形程度有所加大;T達到350 kN時,主節點板上作用的荷載開始回落。上、下加勁肋環板都有明顯的翹曲變形,A點管壁有明顯的凹陷變形,B點管壁有明顯的外凸變形,主節點板與主管連接的焊縫突然斷裂,下加勁肋環板被拉斷,且發出聲響。

試件S2:當T為200 kN時,A點的管壁出現微小的凹陷變形,上加勁肋環板產生輕微的屈曲變形;當T為300 kN時,A點的管壁繼續凹陷,上加勁肋環板產生翹曲變形程度加大同時B點管壁出現可視的外凸變形;當T為370 kN時,主節點板上作用的荷載開始回落。A點管壁與B點管壁均有明顯的變形,主節點板與主管連接的焊縫撕裂。

由試驗可知,節點中主節點板與主管相接的上下兩端部(A點與B點)是構件破壞的薄弱位置,隨著荷載T的逐步加大,兩端部首先開始進入塑性狀態而形成塑性區,但塑性區被周圍彈性區所包圍,暫時不影響節點整體剛度,繼續加載直至兩端部出現明顯的塑性變形,節點達到承載力極限狀態,節點隨之破壞。采用極限變形準則[8]來確定極限承載力:在3%d0變形范圍內出現極限荷載時,以該極限荷載作為節點極限承載力;否則以變形達3%d0時的荷載作為節點極限承載力(d0為主管直徑)。由試驗數據所繪A點與B點的荷載位移曲線得到的極限荷載T見表1。

表1 試件極限荷載及對應變形

2 有限元分析

2.1 有限元模型的建立與驗證

有限元分析程序為ANSYS[9],采用四節點六個自由度的Shell181單元來模擬節點,選用Mises屈服準則、雙線性等向強化材料模型,泊松比υ=0.3,彈性模量為2.1×105MPa。試件主管底部固結,主管頂部為僅可沿Y向自由移動的滑動鉸支座,位移變形和等效應力分別如圖 4、5所示,根據有限元(FEM)和試驗數據所繪A、B點的荷載位移曲線如圖6、7 所示 。

由圖4的位移變形可知主管管壁在A點凹陷,B點凸起,且A點的凹陷比B點的凸起變形量要大很多;由圖5的應力分布可知,節點板上部屈服范圍比下部大,左右兩側的應力分布也不對稱,有加勁肋一側的屈服范圍比另一側小,這是因為加勁肋的設置減小了應力集中程度,使應力擴散出去。所以由計算得到的A、B兩點的主管管壁凹凸變形形態與試驗結果一致,且荷載位移曲線與試驗擬合較好,可知有限元模型的建立是正確的,以此進行模擬分析是可行的。

圖4 位移變形圖

圖5 等效應力圖

圖6 A點荷載～位移曲線

圖7 B點荷載～位移曲線

2.2 加勁肋寬厚比對承載力的影響

當節點其他參數不變時,改變加勁肋的厚度和寬度對節點極限承載力進行有限元計算。第一組數據寬度h=60 mm,厚度t依次為3 mm、4 mm、5 mm、6 mm 、7.5 mm 、10 mm 、12 mm 、15 mm 、20 mm;第二組數據厚度t=5 mm,寬度h依次為25 mm、35 mm、45 mm、55 mm 、60 mm 、65 mm 、75 mm 、85 mm 、95 mm 。計算結果見表2、表3。

表2 厚度t改變時有限元計算結果

表3 寬度h改變時有限元計算結果

由表2可知,當加勁肋寬度不變厚度增加時,極限承載力幾近成線性增加,當厚度為t=12 mm和t=20 mm比t=5 mm承載力分別提高17.6%和27.8%;由表3可知,當加勁肋厚度不變寬度增加時,極限承載力也幾近成線性增加,寬度為h=75 mm和h=95 mm比h=60 mm承載力分別提高6.2%和15.8%。雖然寬度和厚度的增加都可以提高節點極限承載力,但由節點應力云圖可看出,環板與主管管壁接觸處的應力較大,越往外應力越小,寬度增大沒有厚度增大對管壁應力擴散的效果更明顯,所以增加厚度比增加寬度更為有效。

3 結論及建議

以兩個足尺試驗的結果為基礎,建立了合理的有限元模型,對設有1/4環加勁肋的鋼管-板節點進行彈塑性分析,可得以下結論和建議:

(1)節點板與主管管壁相接的上下兩端部是節點設計的薄弱環節,此兩處出現應力集中,主管管壁發生局部屈曲而使節點破壞。

(2)加勁肋對提高節點極限承載力影響較大,它可以使兩端點的集中應力向周邊擴散,從而提高極限承載力。

(3)設有加勁肋的節點,當增大其寬度或厚度時,均可提高節點極限承載力,增加厚度比增加寬度更為有效。

[1]徐 蕓,郭耀杰,趙 兵.大跨越輸變電線路高聳塔高強度h形節點研究[J].武漢理工大學學報,2010,32(12):49-54.

[2]Woo-Bum Kim.Ultimate strength of tube-gusset plate connections considering eccentricity[J].Engineering Structures,2001,23(11):1418-1426.

[3]Architectural Institute of Japan.Recommendations for the design and fabrication of tubular structures in steel[S].1990.

[4]郭 建,孫炳楠.鋼管塔中管-板連接節點的破壞全過程分析[J].工業建筑,2006,36(12):83-85.

[5]余世策,孫炳楠,葉 尹.高聳鋼管塔結點極限承載力的試驗研究與理論分析[J].工程力學,2004,21(3):155-161.

[6]國家標準局.GB6397-86.金屬材料室溫拉伸試驗試樣[S].北京:中國標準出版社,1986.

[7]國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T 228-2002.金屬材料室溫拉伸試驗方法[S].北京:中國標準出版社,2002.

[8]武振宇,張耀春.軸向力作用下T型方管節點的塑性鉸線分析[J].土木工程學報,2002,35(4):20-24.

[9]王國強.實用工程數值模擬技術及其在ANSYS上的實踐[M].西安:西北工業大學出版社,1998.

Influence of Width-to-thickness Ratio of Stiffening Rib on Bearing Capacity of Tube-gusset Joint

CUI Jin-bo,SU Ming-zhou,YANG Jun-fen,XIANG Yang
(College of Civil Engineering,Xi'an University of Architecture&Technology,Xi'an,Shaanxi710055,China)

The full scale model experiment and finite element analysis are made for the tube-gusset joint with 1/4 circle stiffening rib in practical projects.The results indicate that the joint's ultimate bearing capacity would be increasedwith the increase of the thickness or width of stiffening rib,and the increase of thickness is more efficient than the increase of width.The study reslut would not only provide bases for practical engineering construction,but also improve the database of the joint research.

tube-gusset joint;1/4 circle stiffening rib;thickness or width;ultimate bearing capacity

TM753

A

1672—1144(2012)05—0082—03

2012-04-09

2012-05-02

陜西省教育廳專項科研項目(11JK0965)

崔進波(1986—),男(漢族),山東菏澤人,碩士研究生,主要從事鋼結構穩定及新型結構體系方面的研究。