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CFRP加固X型圆钢管相贯节点焊缝极限承载力研究

阳勇 何响

阳勇, 何响. CFRP加固X型圆钢管相贯节点焊缝极限承载力研究[J]. 上海工程技术大学学报, 2023, 37(3): 296-304. doi: 10.12299/jsues.23-0109
引用本文: 阳勇, 何响. CFRP加固X型圆钢管相贯节点焊缝极限承载力研究[J]. 上海工程技术大学学报, 2023, 37(3): 296-304. doi: 10.12299/jsues.23-0109
YANG Yong, HE Xiang. Study on ultimate bearing capacity of CHS X-joints strengthened with CFRP[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2023, 37(3): 296-304. doi: 10.12299/jsues.23-0109
Citation: YANG Yong, HE Xiang. Study on ultimate bearing capacity of CHS X-joints strengthened with CFRP[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2023, 37(3): 296-304. doi: 10.12299/jsues.23-0109

CFRP加固X型圆钢管相贯节点焊缝极限承载力研究

doi: 10.12299/jsues.23-0109
详细信息
    作者简介:

    阳勇:阳 勇(1998−),男,在读硕士,研究方向为空间钢管结构加固. Email:1208083351@qq.com

  • 中图分类号: TU392.3

Study on ultimate bearing capacity of CHS X-joints strengthened with CFRP

  • 摘要: 为研究碳纤维增强塑料(CFRP)对X型圆钢管相贯节点的影响,对ABAQUS有限元软件进行二次开发,运用Fortran语言将VGM模型编译成VUSDFLD子程序对90个节点模型进行有限元分析,并研究支主管外径比β、主管径厚比γ、CFRP黏贴长度与主管直径之比L、CFRP黏贴层数n对节点承载力的影响. 结果表明:CFRP可以减小节点的应力集中,提高节点的承载力,节点开裂会发生在相贯线鞍点焊缝内侧与支管相交的焊根处,随着荷载增加,裂纹会从焊缝鞍点沿着相贯线向冠点发展. 对节点进行参数分析可以发现:随着γ的增加,节点极限承载力逐渐减小;随着β的增大,节点极限承载力逐渐增加;随着nL的增加,节点极限承载力会有所提高. 本文节点的破坏发生在焊缝,提出CFRP加固X型圆钢管相贯节点焊缝承载力建议公式,对比有限元结果可以发现,节点主管壁厚较小,支管外径较大时,拟合公式的结果存在不安全.
  • 图  1  试验与有限元模拟节点的破坏模式

    Figure  1.  Failure modes of test and finite element simulation joints

    图  2  试验与有限元模拟节点的荷载-位移曲线

    Figure  2.  Load-displacement curves of test and finite element simulation joints

    图  3  节点有限元模型

    Figure  3.  Node finite element model

    图  4  CFRP加强X型圆钢管相贯节点裂纹扩展示意图

    Figure  4.  Crack propagation diagram of CFRP reinforced X-shaped circular steel tubular joints

    图  5  γ对CFRP加强X型节点受拉极限承载力的影响

    Figure  5.  Effect of γ on ultimate tensile capacity of CFRP-strengthened X-joints

    图  6  β对CFRP加强X型节点受拉极限承载力的影响

    Figure  6.  Effect of β on ultimate tensile capacity of CFRP-strengthened X-joints

    图  7  n对CFRP加强X型节点受拉极限承载力的影响

    Figure  7.  Effect of n on ultimate tensile capacity of CFRP-strengthened X-joints

    图  8  L对CFRP加强X型节点受拉极限承载力的影响

    Figure  8.  Effect of L CFRP on ultimate tensile capacity of CFRP-strengthened X-joints

    图  9  有限元模拟与公式计算对比图

    Figure  9.  Comparison diagram between finite element simulation and formula calculation

    表  1  节点试件几何尺寸

    Table  1.   Geometric dimensions of joint specimens

    节点类型主管尺寸/
    mm
    支管尺寸/
    mm
    CFRP
    层数
    CFRP长度/
    mm
    CFRP铺设
    方向
    T0Φ194 × 6Φ127 × 6
    T1Φ194 × 6Φ127 × 62682[0°/90°]
    T2Φ194 × 6Φ127 × 62682[45°/135°]
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    表  2  断裂参数

    Table  2.   Fracture parameters

    材料η特征长度L*
    下限平均值上限
    母材2.550.0870.2010.473
    熔敷金属2.630.0620.2020.311
    热影响区2.530.0720.3290.671
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    表  3  CFRP材料参数

    Table  3.   CFRP material parameters MPa

    纵向弹性
    模量
    横向弹性
    模量
    泊松比纵向剪切
    模量
    横向剪切
    模量
    230000400000.272400014300
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    表  4  Hashin失效准则参数

    Table  4.   Hashin failure criterion parameters MPa

    纵向拉伸
    强度
    纵向压缩
    强度
    横向拉伸
    强度
    横向压缩
    强度
    纵向剪切
    强度
    横向剪切
    强度
    183089531.3124.572.062.3
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    表  5  管节点几何尺寸

    Table  5.   Geometric dimensions of tubular joints mm

    主管尺寸支管尺寸焊脚尺寸hf焊缝计算长度lwθ/(°)
    Φ150 × 6Φ60 × 67.2187.4390
    Φ150 × 6Φ90 × 67.2282.9890
    Φ150 × 6Φ120 × 67.2390.8790
    Φ150 × 8Φ60 × 67.2187.4390
    Φ150 × 8Φ90 × 67.2282.9890
    Φ150 × 8Φ120 × 67.2390.8790
    Φ150 × 10Φ60 × 67.2187.4390
    Φ150 × 10Φ90 × 67.2282.9890
    Φ150 × 10Φ120 × 67.2390.8790
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    表  6  参数取值

    Table  6.   Parameter values

    参数取值
    β0.4、0.6、0.8
    γ7.50、9.38、12.50
    L1.2、1.6、2.0
    n3、6、9
    CFRP厚度/mm0.167
    CFRP黏贴方式CFRP碳纤维束与主管轴线平行成0°方向
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    表  7  X型圆钢管节点承载力结果

    Table  7.   Bearing capacity results of X-type circular steel tubular joints

    编号γβnLNK/kNNmax/kNψ
    X17.50.400370.11399.740
    X27.50.431.2380.56412.341.032
    X37.50.431.6380.72413.981.036
    X47.50.432.0386.35417.601.045
    X319.380.400344.70362.220
    X329.380.431.2359.63378.431.045
    X339.380.431.6361.61380.471.050
    X349.380.432.0363.13381.981.055
    X6112.50.400287.86311.510
    X6212.50.431.2308.15326.041.047
    X6312.50.431.6311.66332.281.067
    X6412.50.432.0314.40335.381.077
    X6512.50.461.2314.99335.681.078
    X6612.50.461.6322.13344.051.104
    X6712.50.462.0325.94348.451.119
    X6812.50.491.2321.32342.961.101
    X6912.50.491.6327.72350.481.125
    X7012.50.492.0337.45351.361.128
    X7112.50.600357.14367.140
    X7212.50.631.2374.61382.921.043
    X7312.50.631.6381.75390.811.064
    X7412.50.632.0387.93397.171.082
    X7512.50.661.2383.71393.611.072
    X7612.50.661.6388.80404.931.103
    X7712.50.662.0397.22409.401.115
    X7812.50.691.2390.35398.751.086
    X7912.50.691.6397.97409.091.114
    X8012.50.692.0408.27418.641.140
    X8112.50.800374.03385.160
    X8212.50.831.2395.20404.311.050
    X8312.50.831.6399.78404.521.050
    X8412.50.832.0404.11409.091.062
    X8512.50.861.2398.74409.461.063
    X8612.50.861.6406.93410.321.065
    X8712.50.862.0415.39423.741.100
    X8812.50.891.2408.64417.281.083
    X8912.50.891.6417.73423.661.100
    X9012.50.892.0425.57430.921.119
    注:Nk为节点开裂时的荷载值;Nmax为节点极限荷载值;ψ为极限承载力提高系数.
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    表  8  有限元模拟与公式计算结果对比表

    Table  8.   Comparison between finite element simulation and formula calculation results

    节点
    编号
    有限元
    模拟ψ
    公式
    计算ψp
    有限元模拟节点极
    限承载力Nmax/kN
    公式计算焊缝承载
    力设计值N/kN
    X821.0501.046404.31414.99
    X831.0501.056404.52418.97
    X841.0621.065409.09422.58
    X851.0631.069409.46424.30
    X861.0651.084410.32430.08
    X871.1001.097423.74435.32
    X881.0831.088417.28431.59
    X891.1001.106423.66438.79
    X901.1191.122430.92445.31
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  • 收稿日期:  2023-04-25
  • 刊出日期:  2023-09-30

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