《Applied Sciences》：Influence of Connection Configuration on Stress Redistribution and Joint Core Damage in Grout-Filled Steel Tubular X Assemblies Under Compression
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建筑结构中管状X型支撑的抗压能力取决于节点核心区的应力状态。本研究将实验室压缩试验与三维有限元分析相结合，研究采用直接相交节点（IJ）和带肋板节点（RPJ）的灌浆填充钢管X型组件。比较了荷载-位移响应、峰值抗力和可见节点损伤。结果表明，RPJ构造通过改变局部约
建筑结构中管状X型支撑的抗压能力取决于节点核心区的应力状态。本研究将实验室压缩试验与三维有限元分析相结合，研究采用直接相交节点（IJ）和带肋板节点（RPJ）的灌浆填充钢管X型组件。比较了荷载-位移响应、峰值抗力和可见节点损伤。结果表明，RPJ构造通过改变局部约束和力传递方式提高了抗压能力，在所研究的条件下，RPJ的平均峰值荷载比IJ高26.9%，而平均记录峰值位移小8.0%。在所研究的位移控制条件下，应力重分布降低了节点核心区的最大钢等效应力，并将最大应力区域向下肢转移。局部破坏模式从相交焊缝区的横向开裂转变为沿板连接的纵向或斜向分离，凸显了协调节点核心区加固与相邻连接和构件抗力之间关系的必要性。
论文解读：灌浆填充钢管X型组件连接构造对受压性能的影响机制研究
一、研究背景与问题提出
钢管混凝土构件凭借混凝土的抗压能力与钢管约束作用的协同效应，在建筑结构中得到广泛应用。混凝土填充体同时约束钢管壁的向内变形，使两种材料共同承担结构抗力。已有研究涵盖了自密实混凝土薄壁柱、组合梁、大径厚比柱以及爆炸荷载下的双皮钢管混凝土柱等广泛领域，为理解组合作用奠定了坚实基础。然而，将这些研究成果应用于相交管状节点时，仍需考虑集中力引入、局部管壁变形以及连接几何形状所施加的约束等额外因素。
在灌浆填充节点方面，已有研究考察了不锈钢方管X型和T型节点、带圆不锈钢弦杆的节点等，建立了填充方式和节点几何形状对受压性能的影响规律。对于带肋节点的应力集中关系以及腐蚀形态对热点应力的影响也已有探索。加强和连接细部构造可以改变结构抗力、变形及控制节点响应的区域，相关研究涉及加劲T型节点、带内周向肋的矩形X型节点、内部加劲柱及外部纤维增强聚合物加固等。对于完整的X型构件，已有研究报道了钢筋混凝土填充X型柱在轴压下的刚度、抗力和延性改善，但其填充和配筋细节与本研究有所不同。
尽管现有研究已证明加强管状连接的有效性，但对于灌浆填充钢管X型组件而言，增强组件抗力、降低节点核心区应力与局部损伤变化之间的关系仍认识不足。特别是中心连接与相邻构件之间的应力重分布机制有待阐明。本研究正是针对这一空白，通过压缩试验与三维有限元分析相结合的方法，系统比较直接相交节点（IJ）和带肋板节点（RPJ）两种构造的力学行为。
二、研究内容概述
研究人员设计并实施了系统的试验与数值研究。试验部分制作了两种连接构造共四个试件，采用Q355无缝圆钢管，外径66 mm、壁厚2 mm，径厚比为33。上下肢名义长度分别为500 mm和1000 mm，上肢夹角为50°。IJ构造通过焊接管-管连接实现斜向构件的交汇，RPJ构造则在相邻管件之间焊接中间肋板，引入板-管连接区域。填充材料采用商用水泥基灌浆料，制造商标称抗压强度为45 MPa。压缩试验采用液压加载系统，先进行荷载控制的预载和分级加载，在约0.8倍参考荷载时切换为位移控制，加载速率0.5 mm/min，直至出现显著荷载下降或可见节点破坏。
数值分析采用ANSYS 2022建立三维有限元模型。钢管和肋板赋予Q355名义材料属性，弹性模量206000 MPa，泊松比0.30，采用von Mises屈服准则和多线性各向同性硬化。灌浆料采用Drucker-Prager混凝土模型，抗压强度45 MPa。钢管与灌浆料之间以及焊接连接均采用绑定界面，保持位移协调。网格敏感性分析表明15 mm全局网格尺寸可在计算效率和精度之间取得平衡。
三、研究结果分析
3.1 荷载-位移响应
两种构造均表现出上升段、明显峰值和下降段。在上升段的大部分范围内，RPJ在相同记录位移下承受的力大于IJ。两个RPJ试件均在较小的记录位移处达到更高的峰值荷载，建立了构造依赖性的力响应差异。峰值后所有曲线均出现显著荷载下降，但下降段形状受试件变形与加载系统相互作用的影响。
3.2 峰值抗力与特征响应指标
IJ的峰值荷载范围为363.4至395.2 kN，RPJ为472.6至490.4 kN。平均峰值荷载从IJ的379.3 kN提高到RPJ的481.5 kN，绝对增加102.2 kN，相对增加26.9%。平均记录峰值位移从IJ的38.47 mm降至RPJ的35.37 mm，减小3.10 mm，即8.0%。终期荷载比平均值分别为29.40%和29.56%，差异不足0.2个百分点，但终期点对应的绝对位移不同。
3.3 节点核心区破坏模式
IJ在中心交叉处呈现明显的横向开裂，伴随相邻管壁的局部变形。裂缝沿相交焊缝区域张开，表明局部破坏模式以焊缝区域分离和相邻管壁畸变为特征。RPJ则在板-管连接区域出现细长裂缝开口，方向大致沿肋板与相邻管面边界，呈纵向或斜向分布。中间肋板改变了力传递路径和局部刚度分布，使板-管连接焊缝和相邻管壁成为抗力体系的关键组成部分。
3.4 数值响应与试验对比
数值模型和试验试件均表现出侧向弯曲和节点附近构件对中的显著变化。试验记录的最大侧向位移IJ为107 mm，RPJ为98 mm，RPJ小8.4%，与数值轮廓所指示的相对弯曲变形一致。计算轮廓再现了试验照片的主要变形特征，特别是节点周围的曲率集中和相邻管段的弯曲。
3.5 钢管应力分布与关键区域
在相同施加轴向位移下比较应力场，RPJ构造使节点核心区最大等效应力从IJ的494.71 MPa降至304.45 MPa，降幅38.5%。整个组件钢管最大等效应力从494.71 MPa降至477.91 MPa，仅减小3.4%。IJ的高应力区在中心交叉处形成紧凑带状分布，而RPJ的应力模式不同，大部分中心区域应力较低，高应力延伸至板连接段下方的下肢区域。
3.6 灌浆料应力分布与解释
节点核心区局部最大剪应力IJ为51.43 MPa，RPJ为38.74 MPa。IJ的灌浆料在中心交叉处呈现紧凑的高剪应力区域，与钢管高应力区空间对应。RPJ则呈现沿板连接区域延伸的更广泛剪应力分布，中心区域包含低应力区和连接边界附近的局部变化。
四、讨论与结论
研究讨论指出，X型组件的受压行为由构件弯曲与局部连接变形的相互作用控制。IJ的力传递集中在直接相交管壁内，紧凑的连接区域同时承受力传递和构件对中变化，横向开裂与此变形模式一致。RPJ通过中间肋板引入延伸的连接区域，改变了相邻管壁的约束，变形涉及板连接段和相邻管件，沿板-管边界产生细长开口。RPJ的较高峰值抗力应结合应力空间分布来理解：改进的连接构造使组件更长的区域参与力传递和弯曲适应，而非大幅降低最大等效应力。抗力增强需与变形能力区分，RPJ在较小记录位移处达到更高峰值荷载，两种构造均经历显著峰后抗力损失。
研究结论可归纳为三点：第一，RPJ构造改变了局部约束和力传递方式，在所研究条件下平均峰值荷载比IJ高26.9%，平均记录峰值位移小8.0%；第二，局部破坏涉及IJ相交焊缝区的横向开裂和RPJ沿板-管边界的纵向或斜向分离，反映了局部约束和弯曲变形的变化；第三，RPJ构造与节点核心区应力重分布相关，最大钢等效应力区域从IJ的节点核心区转移到RPJ板连接段下方的下肢区域，伴随核心区应力的显著降低和组件最大应力的较小变化。
本研究的工程意义在于：对于需要提高抗压强度的类似条件，肋板构造是有效的选择。设计时应协调板连接区域与相邻管件的抗力，考虑板刚度与焊缝连续性和管壁抗力的匹配。加劲应提供连续的力传递布置，同时协调管壁约束和填充料支撑。由于试验样本每种构造仅两个试件，所报告的改善仅限于所测试的几何形状、材料和压缩加载条件。
