摘 要：本文主要介绍了圆支管-H型钢主管X形节点平面内弯曲性能的研究成果。试验共研究6支试件，其中3支试件的H型钢主管采用内置加劲板的加固方式。试验研究了试件的承载能力、破坏模式、轴向荷载-竖向位移曲线、弯矩旋转曲线、轴向荷载-局部变形曲线和应变分布曲线。
关键词：圆支管-H型主管X型节点; 塑形; 弯曲性能; 弯曲平面; 内部加劲板; 承载力
1.引言
目前，由于空心圆管具有美观性和耐腐蚀性而被广泛的应用于陆地和海洋平台结构。然而，由于在多维交叉区域需要特殊切割机和焊接技术，故制造圆管节点相对低效且耗时。因此，通过将H型[1]主管边缘部分和空心圆管端部相焊接形成的这种叫圆支管-H型钢主管节点的新型管节点在平面内可以很容易被制造出来。
2.试件
试验中所有的6个试件都由中国标准Q345钢（正常屈服压强fy=345MPa）制造。将圆支管以直角形式焊接在H型主管中心的两侧形成X型节点。为了考虑承载和边界状况，将10mm厚的钢板焊接在支管和主管的端部。在由XB60×3.5S，XB121×3.2S和XB140×3.0S的试件形成的主网中将4mm厚的内部加劲板沿着支管方向对称放置来增强支管构件的抗弯刚度。对于所有的样品，支管（2a）端点之间的距离一致保持为1060mm，包括支管构件，主管构件，内部加劲板尺寸在内及几何参数β=d1/bf，2?=bf/tf和τ=t1/tf 。
3.有限元分析
3.1有限元模型
通常有限元软件ABAQUS用于面内弯曲时圆主管-H型支管X型节点的非线性数值研究。将有限元模型和从试验中测量的横截面尺寸和材料特性相结合。在该研究中使用与不相容（C3D8I）模式相关的具有附加变量的三维八节点实体元件来模拟圆主管和H型支管构件。最特别的是，剪切锁定被移除并且体积锁定大大减少。这是通过用所谓的气泡函数来补充标准形状函数而获得的，所述气泡函数在所有节点处具有零值并且在其间具有非零值。由于对节点的面内弯曲性能的影响可以忽略不计，因此在有限元模型中没有考虑焊接材料。试验进行了收敛性的研究以获得最佳的有限元网格密度。沿着节点相互作用区的焊接区域的网格比较精密以获得高应力梯度，而远离此区域的网格尺寸逐渐变大以便节省计算成本。在有限元模型中考虑了材料和几何非线性。基于拉伸试样测试获得的钢的弹性模量和屈服后切模量的双线性材料模型被用于材料建模，而Von-Mises屈服准则通常用于估计延性材料的屈服。圆主管-H型支管X型节点的典型有限元网格如图2所示。
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图2圆支管-H型钢主管X形节点的有限元网格
3.2有限元模型的验证
从拉伸试样测试结果转换而来的钢的真实应力 - 应变曲线用于有限元模型的验证。将试验和FEA结果进行了对比来验证有限元素模型。调查研究了节点的承载能力，破坏模式和轴向载荷 - 竖向位移曲线。通过试验和有限元分析得到的所有试样的承载能力的比较如表2所示。试验与FEA结果之间达成了良好的一致性，最大差异为5.89％。在实验研究中观察到的节点的典型破坏模式也通过有限元模型验证，试件'XB60×3.5S'为支材料的失效（MFB），试样'XB140×3.0'支管的局部屈曲失效（LBFB）。另一面，通过试验和有限元分析得到的轴向载荷 - 垂直位移曲线也分别为典型试样’XB121×3.2'和'XB121×3.2S'。从比较中可以看出，FEA结果通常与测试结果一致。因此，证明了新开发的有限元模型成功地预测了在平面内弯曲时圆支管到H型主管的结构性能。
表2 在圆支管-H型钢主管X形节点平面内弯曲内试验结果和设计强度比较
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3.3提出的设计方程
在试验和有限元分析结果的基础上，利用曲面拟合技术，在平面弯曲下，对圆支管-H型主管X形节点提出设计方程。在平面内弯曲下圆支管-H型主管X形节点的承载能力可以使用从当前欧洲规范获得的设计强度乘以修正系数ψ来计算。所提出的设计方程是通过使用Matlab的回归分析得出的。因此，在面内弯曲下，圆支管-H型主管X形节点的承载能力（Mp）可以使用所提出的设计方程计算如下：
使用所提出的设计方程将平面内圆支管-H型主管X形节点的承载能力（Mp）与FEA结果进行比较可知：设计强度与FEA结果的比值（M p / M FEA）为0.86，相应的变异系数（COV）为0.025。因此，所提出的设计方程在面内弯曲下圆支管-H型主管X形节点被证实是准确的。
4.结论
本研究中对圆支管-H型主管X形节点在平面内弯曲下的性能进行了实验研究，研究了所有试样的承载能力，失效模式，垂直位移，局部变形和应变分布。从实验和数值可以得出一些结论，结果如下：
（1）随着β值的增加，在面内弯曲时具有小β值（β<0.605）的圆支管-H型主管X形节点的承载能力有效增强，而β值对在面内弯曲时β值较大（β≥0.605）的圆支管-H型主管X形节点的性能影响较小。
（2）主管上应变计的测量点均在材料的弹性范围内，而对于具有内部加劲板的H型主管上β值较大的节点的主管的某些测量点逐步进入材料的塑性范围，H型主管的β值的增量和内部加劲板延迟了支管的可塑性。
（3）H型主管内部加劲板有效提高了面内弯曲时具有小β值的圆支管-H型主管X形节点的承载能力，而H型主管的内部加劲板对具有大β值的圆支管-H型主管X形节点面内弯曲性能几乎没有影响。
参考文献
[1] J. Wardenier, Hollow Sections in Structural Applications, Bouwen met Staal, The Netherlands, 2002.
[2] S.T. Lie, G. Li, Z. Cen, Analysis of cracked tubular joints using coupled finite and boundary element methods, Eng. Struct. 22 (2000) 272–283.
作者简介：曹猛（1994-），男，汉族，山东省聊城市，学历：硕士在读，单位：山东科技大学，266590，研究方向：建筑与土木工程方向