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第１０卷第５期　

２　０　１　２年１　０月　

水利与建筑工程学报　

ｏｆ　Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ　

Ｖｏ１．１０　Ｎｏ．５　

０ｃｔ．．２０１　２　

加劲肋宽厚比对钢管一板节点承载力的影响　

崔进波，苏明周，杨俊芬，向　洋　

（西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安７１００５５）　

摘要：以实际工程中设有１／４环加劲肋的钢管一板节点进行足尺模型试验和有限元分析，通过改变加　

劲肋的宽度或厚度，得到增加加劲肋的厚度或宽度均可提高节点的极限承载力，且增加厚度比增加宽度　

更为有效。研究结果不仅为实际工程的建设提供了参考依据，还丰富了此类节点研究的数据库。　

关键词：钢管一板节点；１／４环加劲肋；厚度或宽度；极限承载力　

中图分类号：ＴＭ７５３　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２～１１４４（２０１２）ｏ５—００８２一ｏ３　

Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｗｉｄｔｈ—・ｔｏ・ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　Ｒａｔｉｏ　ｏｆ　Ｓｔｉｆｅｎｉｎｇ　Ｒｉｂ　ｏｎ　

Ｂｅａｒｉｎｇ　Ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｕｂｅ－ｇｕｓｓｅｔ　Ｊｏｉｎｔ　

ＣＵＩ　Ｊｉｎ・ｂｏ，ＳＵ　Ｍｉｎｇ—ｚｈｏｕ，ＹＡＮＧ　Ｊｕｎ－ｆｅｎ，ＸＩＡＮＧ　Ｙａｎｇ　

（Ｃｏｌｌｅｇｅ　０厂Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ，Ｓｌｍａｎｘｉ　７１００５５，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｆｌｌｕ　ｓｃａｌｅ　ｍｏｄｅｌ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｒｅ　ｍａｄｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｔｕｂｅ—ｇｕｓｓｅｔ　ｊｏｉｎｔ　ｗｉｈｔ　１／４　ｃｉｒｃｌｅ　

ｓｔｉｆｆｅｎｉｎｇ　ｒｉｂ　ｉｎ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｐｒｏｊｅｃｔｓ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ　ｈｅ　ｔｊｏｉｎｔ’Ｓ　ｕｌｔｉｍａｔｅ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｗｏｕｌｄ　ｂｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｗｉｔｈ　

ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｏｒ　ｗｉｄｔｈ　ｏｆ　ｓｔｉｆｆｅｎｉｎｇ　ｒｉｂ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｉｓ　ｍｏｒｅ　ｅｆｉｃｉｅｎｔｆ　ｔｈａｎ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　

ｉｄｔｗｈ．Ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｒｅｓｌｕｔ　ｗｏｕｌｄ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｂａｓｅｓ　ｆｏｒ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｃｏｎｓｔｕｃｔｉｏｎ，ｂｕｔｒ　ａｌｓｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｄａｔａｂａｓｅ　

ｏｆ　ｔｈｅ　ｊｏｉｎｔ　ｒｅｓｅａｒｃｈ．　

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｕｂｅ－ｇｕｓｓｅｔ　ｊｏｉｎｔ；１／４　ｃｉｒｃｌｅ　ｓｔｉｆｅｎｉｎｇ　ｒｉｂ；ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｏｒ　ｗｉｄｔｈ；ｕｌｔｉｍａｔｅ　ｂｅａ【ｎｌ　ｃａｐａｃｉｔｙ　

随着我国经济的快速发展，社会对用电的数量　

和质量要求越来越高，也给输变电工程的发展带来　

了挑战和机遇【　。输变电塔架中常用的节点形式主　

ｍｉｎ，１／４环加劲肋宽度ｈ和厚度ｔ分别为６０　ｍｉｌｌ和　

５　ｍｉｌｌ。各构件之间均采用焊接连接，材质均为　

Ｑ３４５Ｂ。管底部与底座刚接，主管轴向压力Ⅳ通过　

两个量程为１　０００　ｋＮ液压千斤顶对称的施加于主管　

顶部，作用于节点板圆孔处的竖向拉力　通过量程　

为５００　ｋＮ液压千斤顶施加在销铰上，圆孔形心距管　

要有相贯节点和钢管一板节点两种，目前国内外对相　

贯节点的研究比较成熟，而对钢管一板节点的研究还　

很少＿２　Ｊ，且现有规范中承载力的计算公式没有考　

虑加劲肋的影响。本文以某１０００　ｋＶ特高压交流变　

电站实际工程为背景，对设置了１／４环加劲肋板的　

壁４００　ｌｎｌｎ，拉力　对主管管壁产生弯矩使其受弯，　

以　来等效的研究节点的极限承载力。主管压力　

按轴压比为０．３施加，单独将Ｎ：１　８００　ｋＮ施加于　

钢管．板节点承载力进行足尺试验研究和有限元分　

析，分析加劲肋板厚度和宽度对承载力的影响，对指　

导设计此类节点有重要意义。　

主管顶部，停歇１０　ｍｉｎ，保持此力大小不变。待Ⅳ　

稳定后再逐步施加拉力　，直至试件破坏，利用传感　

器来控制荷载的大小。卸载时先逐步卸掉拉力ｒ，，　

１试验研究　

１．１试验构件、安装及加载　

然后再卸掉轴压力Ⅳ。在Ａ点布置１号位移计，监　

测主管管壁的内凹变形；在Ｂ点布置２号位移计，监　

测主管管壁的外凸变形，以方便绘制荷载位移曲线。　

试件加载简图如图１所示。　

参照１　０００　ｋＶ示范站的钢管．板节点，制作了两　

个相同的足尺标准试件ｓ１和ｓ２，主管为　８０×１２　

收稿日期：２０１２—０４—０９　修稿日期：２０１２—０５—０２　

基金项目：陕西省教育厅专项科研项目（１１ＪＫ０９６５）　

作者简介：崔进波（１９８６一），男（汉族），山东菏泽人，硕士研究生，主要从事钢结构稳定及新型结构体系方面的研究。　

第５期　崔进波，等：加劲肋宽厚比对钢管一板节点承载力的影响　８３　

点板　

图１试件加载简图　

１．２材性试验　

依据国家标准［６－７］的有关规定，共进行４组单　

向拉伸试验，每组３个试件，材性试件尺寸如图２所　

示，试件颈缩如图３所示。　

ｌ　、　

、

｝　

。。　

，　

ｌ。　ｌ　ｌ　Ｊ　。。　

图２材性试验试件；￣ｎ－ｒ图（ｍ／ｎ）　

图３试件颈缩　

材料试验结果为屈服强度为４１０　ＭＰａ、抗拉强　

度为５２０　ＭＰａ、弹性模量为２．１×ｌＯ５　ＭＰａ，均满足规　

范要求。　

１．３试件破坏现象　

试件ｓ１：当　为２００　ｋＮ时，上加劲肋环板产生　

轻微的翘曲变形，同时主节点板与主管连接的焊缝　

出现数条受力斜纹；Ｔ为３００　ｋＮ时，Ａ点管壁有可　

视的凹陷变形，Ｂ点管壁也略向外凸出变形，同时上　

加劲肋环板变形程度有所加大；Ｔ达到３５０　ｋＮ时，　

主节点板上作用的荷载开始回落。上、下加劲肋环　

板都有明显的翘曲变形，Ａ点管壁有明显的凹陷变　

形，Ｂ点管壁有明显的外凸变形，主节点板与主管连　

接的焊缝突然断裂，下加劲肋环板被拉断，且发出声　

响。　

试件Ｓ２：当　为２００　ｋＮ时，Ａ点的管壁出现微　

小的凹陷变形，上加劲肋环板产生轻微的屈曲变形；　

当　为３００　ｋＮ时，Ａ点的管壁继续凹陷，上加劲肋　

环板产生翘曲变形程度加大同时Ｂ点管壁出现可　

视的外凸变形；当　为３７０　ｋＮ时，主节点板上作用　

的荷载开始回落。Ａ点管壁与Ｂ点管壁均有明显的　

变形，主节点板与主管连接的焊缝撕裂。　

由试验可知，节点中主节点板与主管相接的上　

下两端部（Ａ点与Ｂ点）是构件破坏的薄弱位置，随　

着荷载　的逐步加大，两端部首先开始进入塑性状　

态而形成塑性区，但塑性区被周围弹性区所包围，暂　

时不影响节点整体刚度，继续加载直至两端部出现　

明显的塑性变形，节点达到承载力极限状态，节点随　

之破坏。采用极限变形准则＿８　Ｊ来确定极限承载力：　

在３％ｄ　变形范围内出现极限荷载时，以该极限荷　

载作为节点极限承载力；否则以变形达３％ｄ。时的　

荷载作为节点极限承载力（ｄ　为主管直径）。由试　

验数据所绘Ａ点与Ｂ点的荷载位移曲线得到的极　

限荷载　见表１。　

表１试件极限荷载及对应变形　

２有限元分析　

２．１有限元模型的建立与验证　

有限元分析程序为ＡＮＳＹＳ［９ｊ，采用四节点六个　

自由度的Ｓｈｅｌｌｌ８１单元来模拟节点，选用Ｍｉｓｅｓ屈服　

准则、双线性等向强化材料模型，泊松比．Ｊ＝０．３，弹　

性模量为２．１×ｌｏ５　ＭＰａ。试件主管底部固结，主管　

顶部为仅可沿Ｙ向自由移动的滑动铰支座，位移变　

形和等效应力分别如图４、５所示，根据有限元　

（ＦＥＭ）和试验数据所绘Ａ、Ｂ点的荷载位移曲线如图　

６、７所示。　

由图４的位移变形可知主管管壁在Ａ点凹陷，　

Ｂ点凸起，且Ａ点的凹陷比Ｂ点的凸起变形量要大　

很多；由图５的应力分布可知，节点板上部屈服范围　

比下部大，左右两侧的应力分布也不对称，有加劲肋　

一

侧的屈服范围比另一侧小，这是因为加劲肋的设　

置减小了应力集中程度，使应力扩散出去。所以由　

水利与建筑工程学报　第１０卷　

计算得到的Ａ、Ｂ两点的主管管壁凹凸变形形态与　

试验结果一致，且荷载位移曲线与试验拟合较好，可　

知有限元模型的建立是正确的，以此进行模拟分析　

是可行的。　

５００　

４００　

３００　Ｚ　

褥　

２００迄　

１０Ｏ　

２０　－】６　．１２　８　．４　

０　

位移／ｒｎｍ　

图６　Ａ点荷载～位移曲线　

５００　

４００　

ｚ　３００　

枢２００　

１００　

图４位移变形图　

Ｕ　４　ｌ２　ｌ６　２０　

位移／ｍｍ　

图７　Ｂ点荷载～位移曲线　

２．２加劲肋宽厚比对承载力的影响　

当节点其他参数不变时，改变加劲肋的厚度和　

宽度对节点极限承载力进行有限元计算。第一组数　

据宽度ｈ：６０　ｒｎｌＴｌ，厚度ｔ依次为３　ＩｌｑｌＴｌ、４　１ＴＩＩＴＩ、５　ｉｎｌＩｌ、　

６　ｍｍ、７．５　ｒｎｌｎ、１０　ｎｌｌ／ｌ、１２　ｍｌＴｌ、１５　ｌｎｌｎ、２０　ｎ１ｍ；第二组　

数据厚度ｔ＝５　ｌ＇ｎｌｎ，宽度ｈ依次为２５　ｎｌｉｎ、３５　ｍ／ｎ、４５　

ｉｎｌｎ　５５　ｌｒｌｌ／ｌ　６０　ｍｉｎ　６５　ｉｎＩｎ、７５　ｎｌｌｎ　８５　

图５等效应力图　

９５　ｎｌｎｑ　产　

算结果见表２、表３。　

表２厚度ｔ改变时有限元计算结果　

由表２可知，当加劲肋宽度不变厚度增加时，极　

限承载力几近成线性增加，当厚度为ｔ＝１２　ｍｌｎ和ｔ　

＝

６．２％和１５．８％。虽然宽度和厚度的增加都可以提　

高节点极限承载力，但由节点应力云图可看出，环板　

与主管管壁接触处的应力较大，越往外应力越小，宽　

２０　１Ｔｌｌｎ比ｔ＝５　ｎ＇ｌｉｎ承载力分别提高１７．６％和　

２７．８％；由表３可知，当加劲肋厚度不变宽度增加　

时，极限承载力也几近成线性增加，宽度为ｈ＝７５　

度增大没有厚度增大对管壁应力扩散的效果更明　

显，所以增加厚度比增加宽度更为有效。　

（下转第１４６页）　

砌　和ｈ＝９５　ｍｍ比ｈ＝６０　ｒｎｌＴｌ承载力分别提高　

１４６　水利与建筑工程学报　

［８］杨

第１０卷　

明，姚令侃，王广军．抗滑桩宽度与桩间距对桩问　

（３）桩土相互作用具有阶段性的特征，应综合　

考虑桩后土拱效应和桩间土拱效应，从而得出临界　

桩间距值。　

土拱效应的影响研究［Ｊ］．岩土工程学报，２００７，２９（１０）：　

１４７７—１４８２．　

（４）各临界桩间距计算式具有一定的局限性，　

在工程实际应用中应结合其他因素综合考虑。　

参考文献：　

［１］易顺民，晏同珍．滑坡时空结构的分析特征及其意义　

［ｃ］／／滑坡文集（第十三集）．北京：中国铁道出版社，　

１９９８：３３．３７．　

［９］杨明，姚令侃，王广军．桩问土拱效应离心模型试验　

及数值模拟研究［Ｊ］．岩土力学，２００８，２９（３）：８１７—８２２．　

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响参数研究［Ｊ］．工程地质学报，２００６，１４（１）：１１１－１１６．　

［１１］贾海莉，王成华，李江洪．基于土拱效应的抗滑桩与护　

壁桩的桩问距分析［Ｊ］．工程地质学报，２ＯＯ４，１２（１）：　

９８—１ｏ３．　

［２Ｊ　Ｔｅｒｚａｇｈｉ　Ｋ．Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　Ｓｏｉｌｍｅｃｈａｎｉｃｓ［Ｍ］．Ｎｅｗ　Ｙｏｕｋ：Ｊｏｈｎ　

Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ．１９４３．　

［１２］王乾坤．抗滑桩的桩间土拱和临界间距的探讨［Ｊ］．武　

汉理工大学学报，２００５，７（８）：２６４—６７．　

［３］　姚元锋，赵晓彦．抗滑桩桩问土拱效应试验方法的研究　

［Ｊ］．路基工程，２０１０，（２）：８６—８８．　

［４］　吕　庆，孙红月，尚岳全．抗滑桩桩后土拱效应的作用　

机理及发育规律［Ｊ］．水利学报，２０１０，４１（４）：４７１—７６．４　

［５］　吕庆，孙红月，尚岳全．抗滑桩桩后土拱形状及影响　

静，吴海涛，等．抗滑桩桩后土拱效应特征　

因素［Ｊ］．哈尔滨工业大学学报，２０１０，４２（４）：６２９—６３３．　

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尔　不　稀　看；　

［１３］王成华，陈永波，林立相．抗滑桩问土拱力学特性与最　

大桩间距分析［Ｊ］．山地学报，２００１，１９（６）：５５６—５５９．　

［１４］李长冬，唐辉明，胡新丽，等．基于土拱效应的改进抗　

滑桩最大桩间距计算模型［Ｊ］．地质科技情报，２０１０，２９　

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［１５］周德培，肖世国，夏雄．边坡工程中抗滑桩合理桩间　

距的探讨［Ｊ］．岩土工程学报，２００４，２６（１）：１３２—１３５．　

［１６］赵明华，陈炳初，刘建华．考虑土拱效应的抗滑桩合理　

ｌ寸　

＿　一１ｌ　１Ｊ

桩间距分析［Ｊ］．中南公路工程，２００６，３１（２）：１－４．　

［１７］叶代成．抗滑桩桩间土拱效应及合理桩间距的研究　

ｌＪ］．土工基础，２００８，２２（４）：７５—７９．　

不　尔　尔　秘　矫　矫　乖　尔　

（上接第８４页）　

３结论及建议　

以两个足尺试验的结果为基础，建立了合理的　

（１２）：４９—５４．　

Ｗｏｏ—Ｂｕｍ　Ｋｉｍ．Ｕｌｔｉｍａｔｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｔｕｂｅ—ｇｕｓｓｅｔ　ｐｌａｔｅ　

ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｅｃｃｅｎｔｉｒｃｉｔｙ　ｌ　Ｊ　Ｊ．Ｅｎ￣ｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｔｒｕｃ—　

ｔｕｒｅｓ，２００１，２３（１１）：１４１８—１４２６．　

Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｊａｐａｎ．Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｅ—　

有限元模型，对设有１／４环加劲肋的钢管一板节点进　

行弹塑Ｉ生分析，可得以下结论和建议：　

（１）节点板与主管管壁相接的上下两端部是节　

点设计的薄弱环节，此两处出现应力集中，主管管壁　

发生局部屈曲而使节点破坏。　

ｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｕｂｕｌａｒ　ｓｔｒｕｃｔｒｕｅｓ　ｉｎ　ｓｔｅｅｌ［Ｓ］．１９９０．　

郭建，孙炳楠．钢管塔中管一板连接节点的破坏全过　

尹．高耸钢管塔结点极限承载力　

程分析［Ｊ］．工业建筑，２００６，３６（１２）：８３—８５．　

余世策，孙炳楠，叶

１５５—１６１．　

（２）加劲肋对提高节点极限承载力影响较大，　

它可以使两端点的集中应力向周边扩散，从而提高　

极限承载力。　

的试验研究与理论分析［Ｊ］．工程力学，２００４，２１（３）：　

国家标准局．ＧＢ６３９７—８６．金属材料室温拉伸试验试样　

［Ｓ］．北京：中国标准出版社，１９８６．　

（３）设有加劲肋的节点，当增大其宽度或厚度　

时，均可提高节点极限承载力，增加厚度比增加宽度　

更为有效。　

国家质量监督检验检疫总局．ＧＢ／Ｔ　２２８—２（／）２．金属材　

料室温拉伸试验方法［Ｓ］．北京：中国标准出版社，　

２（）ｏ２．　

［１　

献二……，　…　…　……古　

强度芸　变　。　竺　氅高　妻　［９］　

．

ｈ形节点研究［Ｊ］－武汉理工大学学报，２０ｍ，　２　矗　

：　薮　聂　

吴莘荟　：　．。。一　…　

的塑性铰　

ｓ上的实