内置加劲环K型管节点抗冲击性能研究

王庆凡; 曲慧; 李伟; 高康; 赵光明

doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2021.02.0151

内置加劲环K型管节点抗冲击性能研究

王庆凡^1,,
曲慧^1, ,,
李伟^1,,
高康^{1, 2,},
赵光明^1,

1.
烟台大学土木工程学院，山东，烟台 264005
2.
深圳市欧博工程设计顾问有限公司，广州，深圳 518000

基金项目: 国家自然科学基金项目(51478407)；山东省自然科学基金项目(ZR2020ME238)

详细信息

作者简介:
王庆凡(1996−)，女，山东人，硕士生，主要从事钢结构抗冲击性能研究(E-mail: wqf_ytu@163.com)

李　伟(1987−)，男，山东人，讲师，博士，主要从事钢结构稳定与疲劳及结构耗能减震研究(E-mail: ytucivilliwei@ytu.edu.cn)

高　康(1993−)，男，山东人，硕士生，主要从事钢结构抗冲击性能研究(E-mail: ytugk@sina.com)

赵光明(1990−)，男，山东人，硕士生，主要从事钢结构抗冲击性能研究(E-mail: 1003015394@qq.com)

通讯作者:
曲　慧(1976−)，女，山东人，教授，博士，硕导，主要从事钢结构及组合结构抗冲击及抗震性能研究(E-mail: quhuiytu@gmail.com)

中图分类号: TU392.3
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出版历程
- 收稿日期: 2021-02-23
- 修回日期: 2021-05-25
- 网络出版日期: 2021-06-28
- 刊出日期: 2022-04-30

STUDY ON IMPACT PERFORMANCE OF K-TYPE TUBULAR JOINTS WITH STIFFENING INNER RINGS

WANG Qing-fan^1,,
QU Hui^1, ,,
LI Wei^1,,
GAO Kang^{1, 2,},
ZHAO Guang-ming^1,

1.
School of Civil Engineering, Yantai University, Yantai, Shandong 264005, China
2.
Shenzhen AUBE Engineering Design Consultant Co., Ltd., Shenzhen, Guangzhou 518000, China

摘要

摘要: 为揭示内置加劲环K型钢管节点在冲击荷载作用下的抗冲击工作机理，采用高性能落锤冲击试验机进行了4个内置加劲环和1个未加强K型管节点的抗冲击性能试验，得到节点的破坏模态并分析了冲击力时程曲线。建立内置加劲环K型管节点有限元数值分析模型，与试验结果对比验证模型可靠性。分析加劲环几何参数对节点冲击性能指标的影响和冲击能量的耗散机理。研究结果表明：内置加劲环可以增强节点的刚度和强度，加劲环宽度和厚度的增加均使K型管节点抵抗冲击荷载的能力有所提高，且加劲环厚度增大对提高节点抗冲击性能的效果要强于宽度；加劲环先于主管耗能，随着加劲环耗能能力达到峰值，主管开始逐步耗能并成为主要耗能构件；设置加劲环可增大K型管节点的耗能能力，加劲环宽度、厚度越大，节点的耗能量越大，主管的耗能量越少。基于K型管节点在静力荷载作用下的承载力计算公式，通过数值模拟分析得出带有加劲环节点的动力放大系数R，提出内置加劲环K型管节点抗冲击承载力计算公式，并验证公式的有效性。
- K型管节点 /
- 内置加劲环 /
- 能量耗散 /
- 破坏模态 /
- 抗冲击承载力
Abstract: To reveal the mechanism of impact resistance of an inner ring-stiffened tubular K-joint under impact loading, impact tests were carried on four inner ring-stiffened tubular K-joint specimens and one ordinary joint specimen by high performance drop-weight impact machine. The failure mode of the joint was obtained and time history curves were analyzed. The finite element numerical analysis model of inner ring-stiffened tubular K-joint was established and the reliability of the model is verified by comparison with the test data, and the influence of the stiffening ring geometric parameters on the impact resistance index of the joint and the impact energy dissipation mechanism are analyzed. Study results show that inner stiffening ring can improve the stiffness and strength of the joint, both the increase of stiffening ring width and of thickness can improve impact resistance of tubular K-joint, and the improvement of impact resistance of the joint caused by the increase of stiffening ring thickness is
- tubular K-joint /
- inner-stiffening ring /
- energy dissipation /
- failure mode /
- impact bearing capacity

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图 1 节点构造详图 /mm

Figure 1. Geometry of joint

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图 2 试验装置图

Figure 2. Test setup diagram

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图 3 K型节点受力简图

Figure 3. Diagram of K-joint

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图 4 K型节点破坏模态图

Figure 4. Failure mode of K-joint

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图 5 冲击力、位移时程曲线

Figure 5. Displacement and Impact Force Versus Time History Curves

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图 6 冲击力-主管跨中竖向变形曲线

Figure 6. Load-vertical deformation in the mid-span curves

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图 7 K型节点有限元模型

Figure 7. FEA model of K-joint

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图 8 节点破坏模态的验证

Figure 8. Verification of joints failure modes

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图 9 试验与模拟冲击力时程曲线对比图

Figure 9. Measured and simulated time history curves of impact loading

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图 10 K型节点主管和中部加劲肋能量时程曲线

Figure 10. Chord and middle stiffening ring of K-joint time history curves of energy

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图 11 RK5.5-30不同冲击时刻应力云图

Figure 11. Stress distribution of RK5.5-30 at different moments

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图 12 主管跨中位移时程曲线

Figure 12. Time history curves of displacement at mid-span

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图 13 加劲环对K型节点的影响

Figure 13. Effect of stiffening ring on K-joint

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图 14 加劲环厚度与主管壁厚比与动力放大系数关系曲线

Figure 14. Dynamic amplification factor versus Stiffening ring thickness to chord thickness ratio diagram

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图 15 加劲环宽度与主管直径比与动力放大系数关系曲线

Figure 15. Dynamic amplification factor versus stiffening ring width to chord diameter diagram

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图 16 冲击力时程曲线

Figure 16. Time history curves of impact loading

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图 17 加劲环参数与主管参数比值乘积与承载力关系曲线

Figure 17. Bearing capacity versus product of stiffening ring parameter and chord parameter diagram

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表 1 试件信息表

Table 1 Specimen details and test conditions

模型编号	主管			支管			加劲环		冲击能量E/kJ	落锤质量m/kg	轴力N/kN			残余变形δ/mm
模型编号	D×T×L /mm			d×t×l /mm			R_w×R_r /mm		冲击能量E/kJ	落锤质量m/kg	主管	支管(左)	支管(右)	竖向	横向
K0-0	273	8	3000	68	5	1000	0.0	0.0	31	626	412	120	−120	174	330
RK4.5-30	273	8	3000	68	5	1000	4.5	30	31	688	412	120	−120	203	305
RK4.5-50	273	8	3000	68	5	1000	4.5	50	31	688	412	120	−120	233	280
RK5.5-30	273	8	3000	68	5	1000	5.5	30	31	626	412	120	−120	211	299
RK5.5-50	273	8	3000	68	5	1000	5.5	50	31	688	412	120	−120	234	280
注：试件编号中字母“K”代表未加强试件，字母“RK”代表内置加劲环试件，数字“4.5”、“5.5”为内置加劲环的厚度，数字“30”、“50”为内置加劲环的宽度。R_r代表内置加劲环的宽度，R_w代表内置加劲环的厚度。轴力以受压为正，受拉为负。

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表 2 加劲环厚度与主管壁厚比对承载力的影响

Table 2 Influence of stiffening ring thickness to chord thickness ratio on bearing capacity

模型编号	R_w/T	F_u/kN	E_a/kJ	δ/mm	F_eq/kN	R₁=F_eq/F_u
K-0.8-50	0.1	162.44	28.28	91.21	310.05	1.91
K-1.6-50	0.2	162.44	27.68	87.47	316.45	1.95
K-2.4-50	0.3	162.44	26.03	81.39	319.81	1.97
K-3.2-50	0.4	162.44	25.45	79.27	321.05	1.98
K-4.0-50	0.5	162.44	23.89	70.34	329.68	2.03
K-4.8-50	0.6	162.44	22.02	65.54	335.97	2.07
K-5.6-50	0.7	162.44	21.39	61.37	348.54	2.15
K-6.4-50	0.8	162.44	21.07	59.34	355.07	2.19
K-7.2-50	0.9	162.44	19.97	55.28	361.25	2.22
K-8.0-50	1.0	162.44	19.29	52.28	368.27	2.27
注：表中模型编号第一位为加劲环厚度、第二位为加劲环宽度；R_w为加劲环厚度；F_u为静力荷载作用下的K型节点承载力；E_a为整个冲击过程主管吸收的能量；δ为主管的残余凹陷变形；F_eq等效冲击承载力；R₁为考虑加劲环厚度的动力放大系数。

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表 3 加劲环宽度与主管直径比对承载力的影响

Table 3 Influence of stiffening ring width to chord diameter on bearing capacity

模型编号	R_r/D	F_u/kN	E_a/kJ	δ/mm	F_eq/kN	R₂=F_eq/F_u
K-4.5-27	0.10	162.44	29.21	101.47	287.86	1.77
K-4.5-40	0.15	162.44	28.46	79.31	358.84	2.21
K-4.5-54	0.20	162.44	27.29	71.25	383.01	2.36
K-4.5-68	0.25	162.44	26.38	68.14	387.14	2.38
K-4.5-81	0.30	162.44	26.13	64.68	403.98	2.49
K-4.5-95	0.35	162.44	25.77	61.26	420.66	2.59
K-4.5-109	0.40	162.44	25.07	58.34	429.72	2.65
注：表中模型编号第一位为加劲环厚度、第二位为加劲环宽度；R_r为加劲环厚度；F_u为静力荷载作用下的K型节点承载力；E_a为整个冲击过程主管吸收的能量；δ为主管的残余凹陷变形；F_eq等效冲击承载力；R₂为考虑加劲环宽度的动力放大系数。

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