錐頭連接形式的管節(jié)點(diǎn)靜力強(qiáng)度計(jì)算分析

，，

(1.大連海事大學(xué)，遼寧 大連 116026；2.煙臺(tái)大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005)

在空間鋼管結(jié)構(gòu)中，由于一個(gè)主管通常要連接很多個(gè)支管，受主管表面大小的限制，多個(gè)支管可能無(wú)法直接焊接到主管上，因此，多采用球節(jié)點(diǎn)或鼓形節(jié)點(diǎn)形式[1-3]。無(wú)論焊接球節(jié)點(diǎn)還是焊接鼓形節(jié)點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn)數(shù)量比較多的海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)中都將增加用鋼量。為了便于多支管和主管之間的連接，可以將部分支管與主管相連接的端部設(shè)計(jì)成錐頭形狀，減小支管端部圓管的直徑，從而減小支管于主管之間的接觸面積，這樣可以將多個(gè)支管直接通過(guò)相貫節(jié)點(diǎn)焊接到主管表面上，而不需要采用球節(jié)點(diǎn)連接。對(duì)于錐頭連接形式的管節(jié)點(diǎn)，其受力性能和承載力計(jì)算的研究不多，基于這個(gè)原因，對(duì)錐頭連接的管節(jié)點(diǎn)形式和傳統(tǒng)管節(jié)點(diǎn)形式進(jìn)行分析比較。

1 錐頭連接管節(jié)點(diǎn)模型

1.1 幾何模型

以最簡(jiǎn)單的T形管節(jié)點(diǎn)為例，圖1a)是傳統(tǒng)的焊接相貫節(jié)點(diǎn)的幾何構(gòu)形；圖1b)將支管與主管表面焊接端部加工成錐形再與主管焊接。錐頭形狀可用兩個(gè)參數(shù)表示，一是錐頭端部直徑d0，另外一個(gè)是錐頭高度h。d0越小，支管與主管之間相貫線包圍的面積就越少，也就越容易與多個(gè)支管之間進(jìn)行焊接連接。但是，由于支管與主管之間接觸面積小，會(huì)增大對(duì)主管徑向的作用力，從而降低節(jié)點(diǎn)的承載能力。h的大小影響到錐頭的錐度，對(duì)節(jié)點(diǎn)的承載力是否有影響需要通過(guò)計(jì)算分析來(lái)確定。

圖1 不同形式T節(jié)點(diǎn)的幾何構(gòu)形

1.2 有限元模型

當(dāng)主管和支管的壁厚與直徑相比很小時(shí)，采用殼單元和實(shí)體單元都可以得到精確度較高的計(jì)算結(jié)果。但是，對(duì)于厚壁圓管，由于主管要承受徑向的作用力，壁厚很大的情況下沿著管壁厚度方向上應(yīng)力分布不均勻性較明顯，此時(shí)采用殼單元得到的計(jì)算誤差可能較大?；谶@個(gè)原因，文中對(duì)管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析時(shí)，均采用實(shí)體單元來(lái)劃分整體管節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格，所有單元都采用20結(jié)點(diǎn)的六面體單元(二次單元)。

相貫焊接管節(jié)點(diǎn)的支管通過(guò)焊縫與主管連接，通常采用的焊縫有角焊縫和坡口對(duì)接焊縫。若管節(jié)點(diǎn)需要承受動(dòng)力荷載或循環(huán)疲勞荷載，一般采用坡口熔透焊縫，文中分析的管節(jié)點(diǎn)模型均假設(shè)采用坡口熔透焊縫。在有限元模擬時(shí)，考慮焊縫尺寸可以增加節(jié)點(diǎn)的剛度，忽略焊縫則使得節(jié)點(diǎn)部位剛度有些偏弱[4]。無(wú)論分析管節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)還是靜力承載能力，忽略焊縫都可以使結(jié)果稍微偏于保守，即設(shè)計(jì)偏于安全?？紤]到焊縫的模擬比較復(fù)雜，文中建立的有限元模型也將忽略焊縫形狀，而將支管直接“粘結(jié)”到主管表面。

采用上述方法，對(duì)傳統(tǒng)的T節(jié)點(diǎn)和采用錐頭連接的T節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，見(jiàn)圖2。為了使得有限元分析結(jié)果收斂，在靠近節(jié)點(diǎn)部位采用了精細(xì)的網(wǎng)格劃分，在遠(yuǎn)離節(jié)點(diǎn)部位的網(wǎng)格則相對(duì)粗糙一些，以便在保證計(jì)算結(jié)果精度的情況下減少計(jì)算時(shí)間。

圖2 T節(jié)點(diǎn)模型的網(wǎng)格劃分

2 錐頭連接形式的T節(jié)點(diǎn)承載力

2.1 節(jié)點(diǎn)模型參數(shù)

表1所列典型T節(jié)點(diǎn)各參數(shù)意義見(jiàn)圖1。

表1 T節(jié)點(diǎn)模型幾何尺寸 mm

對(duì)表1中的兩個(gè)傳統(tǒng)T節(jié)點(diǎn)模型改造成錐頭連接形式，h分別取100，150，200 mm，錐頭小端直徑分別取為支管直徑的1/2和3/4。

在有限元分析過(guò)程中，鋼材假設(shè)為理想彈性強(qiáng)化材料，即在達(dá)到屈服強(qiáng)度之前，材料是線彈性的，彈性模量是210 GPa，泊松比為0.3，鋼材的屈服強(qiáng)度是235 MPa。達(dá)到屈服點(diǎn)后，鋼材進(jìn)入理想強(qiáng)化階段，強(qiáng)化段的彈性模量為線彈性階段的1/200。對(duì)T節(jié)點(diǎn)模型的靜力強(qiáng)度進(jìn)行分析，主管的兩個(gè)端部采用鉸接邊界條件，即主管端部可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，但不能發(fā)生線位移。在進(jìn)行有限元分析時(shí)，采用幾何非線性假定。通過(guò)在支管端部施加向下的位移來(lái)計(jì)算需要在支管端部施加的荷載，最終得到支管端部承受軸壓作用下的荷載-位移曲線，最終判斷節(jié)點(diǎn)的破壞形式和強(qiáng)度。

2.2 T節(jié)點(diǎn)承載力分析

對(duì)表1中的兩個(gè)常規(guī)T節(jié)點(diǎn)、不同h及d0/d1共6個(gè)錐頭連接的T節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行有限元分析，以研究錐頭連接T節(jié)點(diǎn)的承載能力和破壞過(guò)程。圖3給出了錐頭端部直徑u對(duì)T節(jié)點(diǎn)承載力P的影響情況，其中CTT和TBT分別表示常規(guī)T節(jié)點(diǎn)和用錐頭連接的T節(jié)點(diǎn)。從圖3可以看出，將支管端部改成錐頭連接后會(huì)比較明顯地降低常規(guī)T節(jié)點(diǎn)的承載能力，而且模型二改用錐頭連接后，承載力下降的更為明顯，說(shuō)明采用錐頭連接雖然可以降低支管和主管之間的連接面積，同時(shí)可以大大降低節(jié)點(diǎn)的靜力強(qiáng)度。

圖3 錐頭直徑對(duì)T節(jié)點(diǎn)承載力的影響

錐頭高度對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力的影響如圖4所示。由于錐頭高度的變化對(duì)支管與主管之間的接觸區(qū)域大小無(wú)影響，所以可以看出錐頭高度變化對(duì)節(jié)點(diǎn)的靜力強(qiáng)度無(wú)影響，這說(shuō)明只要保證節(jié)點(diǎn)的靜力強(qiáng)度滿足要求的情況下，錐頭高度的取值可視支管構(gòu)件的承載力大小而定。

由于錐頭連接形式的管節(jié)點(diǎn)承載力尚無(wú)可供設(shè)計(jì)使用的計(jì)算公式，而根據(jù)圖3和圖4中的計(jì)算結(jié)果可以將錐頭連接形式的管節(jié)點(diǎn)與采用錐頭直徑大小的通長(zhǎng)支管連接節(jié)點(diǎn)的承載力進(jìn)行比較，檢查二者的承載力是否相同。

圖4 錐頭高度對(duì)T節(jié)點(diǎn)承載力的影響

對(duì)于模型一，分別分析支管直徑為50 mm和75 mm(分別與錐頭直徑相同)的常規(guī)T節(jié)點(diǎn)，對(duì)于模型二，則分別分析支管直徑為120 mm和180 mm的常規(guī)T節(jié)點(diǎn)模型。將荷載-位移曲線與分別對(duì)應(yīng)的錐頭連接T節(jié)點(diǎn)模型的荷載-位移曲線進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果分別見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 模型一承載力比較

圖6 模型二承載力比較

從圖5和圖6中可以看出，采用與錐頭直徑相同的支管組成的常規(guī)T節(jié)點(diǎn)在承載力上與錐頭連接形式的T節(jié)點(diǎn)承載力相差并不大，而且荷載-位移曲線非常類似，說(shuō)明可以近似采用簡(jiǎn)化的常規(guī)T節(jié)點(diǎn)模型來(lái)估算錐頭連接形式的T節(jié)點(diǎn)的靜力強(qiáng)度。

模型一采用錐頭連接的節(jié)點(diǎn)和常規(guī)節(jié)點(diǎn)在相同荷載作用下的應(yīng)力分布見(jiàn)圖7。

圖7 模型一的應(yīng)力分布比較

從圖7可以看出，在相同荷載作用下，錐頭連接和采用錐頭直徑相同支管的常規(guī)連接在節(jié)點(diǎn)周圍的應(yīng)力分布基本相同，說(shuō)明兩種不同節(jié)點(diǎn)形式下的破壞過(guò)程和模式也基本相同。

2.3 管壁加厚的錐頭節(jié)點(diǎn)承載力分析

由圖3可知,采用錐頭連接的節(jié)點(diǎn)形式雖然可以減小支管和主管的接觸面積，從而便于多個(gè)支管和主管之間進(jìn)行直接焊接，但是錐頭連接的節(jié)點(diǎn)可能大大降低節(jié)點(diǎn)的承載力。為了既保證連接方便，又能不過(guò)于降低節(jié)點(diǎn)的承載力，可以將節(jié)點(diǎn)部位的主管管壁厚度加大，以提高節(jié)點(diǎn)的承載力。這種將管壁加厚的方法在施工上相比于其他的加固方法，如內(nèi)置加勁肋[5]、內(nèi)置加勁環(huán)[6-8]和內(nèi)置插板[9-10]等方法更便捷。

將節(jié)點(diǎn)部位主管管壁加厚的錐頭連接T節(jié)點(diǎn)模型如圖8所示，由于錐頭連接造成支管與主管連接部位的直徑縮小，造成對(duì)主管局部側(cè)向壓應(yīng)力的加大，使得主管容易在徑向發(fā)生局部屈曲。為防止這種局部屈曲發(fā)生，增加該部位主管厚度是一種比較有效的方法。

圖8 管壁厚度加大的錐頭連接T節(jié)點(diǎn)模型

模型一主管管壁加厚后的錐頭連接T節(jié)點(diǎn)荷載-位移曲線見(jiàn)圖9。為了對(duì)比，將未加強(qiáng)錐頭連接的T節(jié)點(diǎn)以及常規(guī)連接的T節(jié)點(diǎn)的荷載-位移曲線也一同給出。圖9中R_TBT表示主管管壁加厚的錐頭連接管節(jié)點(diǎn)。在對(duì)主管管壁加厚的方案中，主管加厚部分長(zhǎng)度為200 mm，加厚部分的厚度是主管原厚度的2倍。從圖9可以看出，通過(guò)將主管管壁加厚，可以大大提高錐頭連接管節(jié)點(diǎn)的承載能力。采用將節(jié)點(diǎn)部位主管厚度加大1倍的方案可以將管節(jié)點(diǎn)承載力提高到超過(guò)常規(guī)管節(jié)點(diǎn)的承載力。

圖9 模型一不同節(jié)點(diǎn)形式的荷載位移曲線

主管管壁加厚對(duì)承載力的影響也可以從圖10所示的應(yīng)力分布看出。對(duì)于常規(guī)T節(jié)點(diǎn)，在支管端部軸力作用下，沿著焊縫周圍應(yīng)力最大，所以這個(gè)部位是最先發(fā)生破壞的部位，見(jiàn)圖10a)。采用錐頭連接后，由于錐頭直徑小于支管直徑，所以焊接部位應(yīng)力更為增大，也更加重了焊縫處的破壞，見(jiàn)圖7a)。當(dāng)將節(jié)點(diǎn)部位主管厚度加大時(shí)，可以將最大應(yīng)力轉(zhuǎn)移到主管不同厚度連接部位，見(jiàn)圖10c)，從而將節(jié)點(diǎn)部位的破壞轉(zhuǎn)移到構(gòu)件上。

圖10 不同T節(jié)點(diǎn)模型的應(yīng)力分布比較

為了更清楚地表示各種管節(jié)點(diǎn)的破壞模式，將常規(guī)T節(jié)點(diǎn)、錐頭連接的T節(jié)點(diǎn)以及將節(jié)點(diǎn)部位主管壁加厚的錐頭連接T節(jié)點(diǎn)在支管端部軸壓作用下的破壞模式表示在圖11中。

圖11 不同T節(jié)點(diǎn)模型的破壞模式

從圖11中可以看出：常規(guī)T節(jié)點(diǎn)和錐頭連接的T節(jié)點(diǎn)均在節(jié)點(diǎn)部位發(fā)生局部屈曲，而主管加厚的錐頭連接節(jié)點(diǎn)則發(fā)生了彎曲變形，破壞部位由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移到主管不同壁厚連接處。顯然，通過(guò)適當(dāng)?shù)膶⒅鞴芄?jié)點(diǎn)部位壁厚加大，可以提高主管在節(jié)點(diǎn)部位的徑向剛度，從而提高管節(jié)點(diǎn)的承載能力，并可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)破壞模式和位置的轉(zhuǎn)變，改善節(jié)點(diǎn)部位的受力性能。

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