部分填充水泥基材料加强CHS T形接头承载能力提升：数值研究及设计方法

《Engineering Structures》：Load-capacity enhancement of CHS T-joints strengthened by partial-filling with cementitious materials: Numerical investigation and design method

　　

• 建立了有限元模型，以准确捕捉加强和未加强节点的断裂行为。
• 研究了加强前后失效模式的演变过程，重点突出了多种控制模式。
• 对未加强和加强条件下的 T 型节点进行了全面的参数研究。
• 开发了承载力提升的设计公式，并提出了实际设计框架。

引言
管状结构在各种实际工程应用中得到了广泛使用。然而，由于老化、功能改变、荷载增加等因素，现有的桁架节点可能无法提供足够的承载力，因此需要加强。桁架节点的传统加强方法包括将钢板[1]、[2]、[3]、[4]、[5]焊接到弦杆或腹杆上，具体形式包括外部加劲肋、环板和加劲环。尽管这些方法是有效的，但它们仍然存在一些局限性：(1) 钢板难以精确贴合复杂的节点几何形状；(2) 高空焊接操作困难，可能导致焊接质量下降；(3) 在受应力状态下焊接存在潜在的安全风险；(4) 引入焊接缺陷和残余应力。受混凝土填充钢管（CFST）结构优异性能的启发，本研究提出了一种新的加强方法——使用胶凝材料对弦杆进行部分填充。与传统的焊接加强技术相比，该方法避免了其固有的缺点，并且适用于各种配置和截面的节点。2024年对 T 型节点[6]和2025年对 K 型节点[7]进行的实验研究表明，该方法可以显著提高管节点的刚度和承载力。此外，将该新的加强方法与其他常用加强方法[8]（包括在腹杆或弦杆上焊接外部加劲肋或管材以及碳纤维增强复合材料（CFRP）加强）进行比较，突出了不同方法在不同条件下的适用性。特别是，当圆形空心截面（CHS）K 型节点的失效模式由弦杆塑性屈服控制时，使用胶凝材料对弦杆进行加强尤为有效。所提出的加强方案如图 1 所示，包括五个主要步骤：开孔、放置并固定圆形钢板（CSPs）、注玻璃胶、填充灌浆料或超高性能混凝土（UHPC）以及封孔。

现有的与 CFST 结构相关的研究主要关注弦杆完全填充的节点[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。例如，Packer（1995年）[9]实验研究了 CFST T 型、X 型和间隙型 K 型节点的力学行为，证明混凝土填充物可以显著提高由弦杆塑性屈服控制的节点承载力。随后，Xu 等人（2015年）[13]、[14]对 12 个不同类型的 CFST 节点（T 型、Y 型、K 型和 KT 型）进行了实验测试，并系统地考察了混凝土填充物对传力机制、失效模式、弦杆变形和承载力的影响。然而，本研究所考虑的通过胶凝材料部分填充来加强 CHS T 型节点，无法由现有的混凝土填充钢管（CFST）研究充分代表。特别是，与弦杆部分填充相关的力学机制和结构性能与完全填充配置存在根本差异。因此，仍有几个关键问题尚未解决：(1) 现有研究主要关注完全填充的 CFST 节点，其提出的设计公式没有考虑部分胶凝材料填充的影响；(2) 加强后多种几何和材料参数对失效模式和承载力的影响尚未得到全面研究；(3) 大多数数值研究，特别是针对腹杆受拉的节点，尚未将断裂行为纳入本构材料模型中；(4) 加强 CHS T 型节点的系统设计方法尚未建立。

受上述研究缺口的启发，本研究基于通过胶凝材料部分填充加强的 CHS T 型节点的实验测试[6]，该测试仅提供了有限几何形状和填充长度的测试观察。本研究在四个独立方面对实验工作进行了扩展。首先，开发了包含显式焊缝几何形状、通过 SMGTN 模型模拟钢材断裂以及钢材-填充体相互作用的精细化有限元模型，以捕捉腹杆受压和受拉下的多种控制失效模式。其次，澄清了部分填充引起的传力路径、应力状态和失效模式转变的变化。第三，建立了一个包含 512 个有限元模型的数据库，以量化加强比例和节点几何参数对结果的影响。最后，提出了设计方程和相应的承载力强化系数，用于在验证的参数范围内预测部分填充 CHS T 型节点的承载力。

章节片段
部分加强 CHS T 型节点实验研究简述
进行了六个 T 型节点实验，试件详情和失效模式见表 1。典型 CHS T 型节点试件示意图如图 2 所示，实验装置如图 3 所示。

SMGTN 模型概述
为了准确模拟管节点和 CFST 节点的延性断裂发展，本作者提出了一种新的剪切修正 Gurson-Tvergaard-Needleman (SMGTN) 模型[18]。该模型在传统 Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN) 模型的基础上，通过考虑应力三轴性和 Lode 角参数进行了改进。以下是 SMGTN 模型的简要介绍：
为了同时表示拉力和剪切引起的损伤，孔洞体积分数 f 和总剪切损伤 有限元模型建立

ABAQUS 软件因其强大的非线性求解能力和用户友好的可视化界面而被广泛应用。此外，可以在 ABAQUS 中使用基于 Python 的“.py”脚本来高效地自动化模型生成和数值计算，从而显著提高分析效率。基于这些原因，本研究采用 ABAQUS[19] 进行后续的数值分析。

失效模式
对于腹杆受压的 CHS T 型节点，有限元模型是根据作者在第 2 节中介绍的前期实验结果进行验证的。图 9 展示了试件 CH 和 CGL1 数值预测与实验观察到的失效模式之间的对比。有限元模拟准确地重现了未加强 CHS T 型节点的弦杆塑性屈服失效，以及腹杆两侧弦杆壁的局部屈曲。

此外，腹杆受压的加强 T 型节点
对于腹杆受压的 CHS T 型节点，加强前观察到两种主导失效模式：腹杆局部屈曲和弦杆塑性屈服。加强后，控制失效模式转变为腹杆局部屈曲和弦杆弯曲。表 4 总结了三种典型的失效模式转变模式，并附上了腹杆轴力与冠顶趾部弦杆面变形之间的对应曲线。
失效模式和极限承载力是根据

增强效应的参数数值研究
所提出加强方法的参数可分为两组：胶凝材料参数和 T 型节点的基本几何参数。表 6 显示了各参数的范围。为了定量评估每个参数对承载力增强效应的影响，定义“强化系数”（φt 和 φc）作为评价指标。相应的表达式如下：
φc=Nu1,cNu0,c, φt=Nu1,tNu0,t
其中 Nu1,c 和 N 承载力公式

加强 CHS T 型节点的承载力可以通过将相应未加强 CHS T 型节点的承载力乘以承载力强化系数来获得。基于参数研究结果，加强 CHS T 型节点的承载力强化系数由四个主要几何参数（α、τ、2γ 和 β）决定，并使用多元非线性回归分析建立了一组这些系数的预测公式。
有限元 结论

基于本研究所进行的系统性研究，可以得出以下结论：
(1) 为空心截面 T 型节点和部分填充 CHS T 型节点建立了包含断裂信息的有限元框架。通过结合显式焊缝建模、SMGTN 钢材断裂模型和钢材-填充体接触，该框架捕捉到了腹杆受压和受拉下的弦杆塑性屈服、弦杆弯曲、腹杆失效和冲切剪切。
(2) 部分胶凝材料填充有效地提高了 CRediT 作者贡献声明

Yifei Wang：写作 – 审阅与编辑、写作 – 原稿撰写、可视化、方法论、调查研究、数据整理、概念构思。
Lewei Tong：写作 – 审阅与编辑、验证、监督指导、资源、项目管理、调查研究、数据整理、概念构思。
Weizhou Shi：资源、项目管理、调查研究、概念构思。
Feng Gao：资源、项目管理、调查研究、概念构思。

利益冲突声明
作者声明，他们没有任何已知的与本报告中的工作可能产生影响的财务利益或人际关系冲突。

致谢
作者感谢国家自然科学基金通过资助项目（编号：50478108）对本项目的资金支持。

Yifei Wang|Lewei Tong|Weizhou Shi|Feng Gao