随机局部腐蚀作用下钢管混凝土K形节点的力学性能分析

桁式钢管混凝土组合结构由于传力明确、整体性能好,具备优越的结构性能与经济优势,在腐蚀环境下服役的跨海特大桥梁、沿海塔架、海洋平台等大型基础设施中得到广泛的应用。在此类结构中,主要承重构件与关键连接节点受到荷载与腐蚀长期耦合作用的影响,对结构的安全性与可靠性提出了严峻的挑战。在实际工程中,钢材表面的腐蚀作用通常以随机分布的局部腐蚀为主;以往,受试验条件与数值模拟技术的限制,对随机局部腐蚀作用下的钢管混凝土关键节点力学性能研究尚不多见,在一定程度上制约了对此类主体结构全寿命服役性能的认识及其科学设计方法的制定。基于此,对随机局部腐蚀与长期荷载耦合作用下钢管混凝土K形节点这一典型桁式组合节点的全过程力学性能展开深入研究。建立了可以考虑钢管外壁随机局部腐蚀及其对材料非线性约束作用的复杂时变影响的钢管混凝土K形节点精细化有限元分析模型。基于实际环境中海工钢结构随机局部腐蚀的分布规律,通过Python与ABAQUS的模型搭建,进行随机蚀坑分布生成、腐蚀单元识别与蚀坑区域自动化网格划分,实现了对弦、腹杆钢管外壁的随机局部腐蚀的模拟。此外,模型中考虑了腐蚀过程中材料间非线性约束作用的时变劣化以及核心混凝土的长期变形特性,且模型的准确性得到系列试验结果的验证。利用有限元模型,深入分析了节点在局部腐蚀作用下的破坏模态、全过程荷载-变形关系与剩余极限承载力;明晰了腐蚀类型(均匀分布或随机局部分布)、体积腐蚀率等重要参数对节点力学行为的影响规律。考察了随机局部腐蚀作用下影响钢管混凝土K形节点力学性能的重要参数,包括体积腐蚀率、材料强度、弦杆径厚比、腹弦杆管径比等。在参数分析结果的基础上,提出了钢管混凝土K形节点腐蚀后剩余强度的简化计算方法,结合有限元结果验证了公式的有效性。分析结果表明:随机局部腐蚀作用下的钢管混凝土K形节点的破坏模态主要为受压腹杆的局部屈曲,在受压腹杆的蚀坑集中区域往往会出现应力集中而发生局部屈曲失效;由于弦杆内填充混凝土,节点区域力学性能得以改善;与均匀腐蚀相比,局部腐蚀对钢管混凝土K形节点力学性能的影响更为显著,且局部腐蚀的随机分布会进一步降低节点的承载力,即当体积腐蚀率一定时,随机局部腐蚀节点承载力比非随机局部腐蚀情况多降低2%~5%;腹杆体积腐蚀率对节点承载力起控制作用。

长期荷载与随机局部腐蚀耦合作用下钢管混凝土K形节点应力集中系数分析

由钢管混凝土弦杆与空钢管腹杆组成的钢管混凝土K形节点受力性能优越、外形美观,在大型桁式基础设施中得到广泛应用。当该类结构服役于海洋环境中时,通常受到交变荷载与腐蚀的长期耦合作用,严重影响其安全性。为研究长期荷载与随机局部腐蚀耦合作用下钢管混凝土K形节点的应力集中系数,建立了考虑钢管外壁随机腐蚀形貌、材料性能时变劣化以及材料间非线性约束的有限元分析模型。分析了体积腐蚀率、蚀坑几何特性与空间分布特性等参数对节点应力集中系数的影响规律,并与常用于简化设计的均匀腐蚀工况进行对比。结果表明:在均匀腐蚀作用下,体积腐蚀率是影响节点应力集中系数的关键参数,最大应力集中系数首先出现在腹杆冠趾处,并随着弦杆体积腐蚀率的增加而向受拉侧弦杆冠趾移动;而在随机局部腐蚀作用下,节点应力集中系数受多因素耦合的复杂影响,随着蚀坑三维几何参数、空间分布位置的改变呈非线性变化。基于参数分析结果,分别提出了均匀腐蚀与随机局部腐蚀两种工况下钢管混凝土K形节点应力集中系数的简化计算方法,计算结果与数值分析结果吻合良好。