空間鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)與空鋼管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中分析

楊 群,劉小兵

(1.湖南工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院,湘潭 411104;2.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410082)

空間鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)與空鋼管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中分析

楊 群1,劉小兵2

(1.湖南工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院,湘潭 411104;2.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410082)

鋼管結(jié)構(gòu)具有承載力高、塑性和韌性好、制作和施工方便、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)一直備受青睞.近年來(lái)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在橋梁工程中得到廣泛應(yīng)用,無(wú)論是空鋼管節(jié)點(diǎn)還是鋼管混凝土節(jié)點(diǎn),管節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)成為一個(gè)非常重要的研究課題.直接焊接管節(jié)點(diǎn)是目前廣泛應(yīng)用的一種管節(jié)點(diǎn)形式,它是由幾個(gè)主支管交匯而成的三維空間薄壁結(jié)構(gòu),其應(yīng)力分布十分復(fù)雜.基于此,采用有限元軟件ANSYS,選取常用三種典型節(jié)點(diǎn)形式,分析主支管管徑比和主支管夾角兩個(gè)參數(shù)對(duì)兩類(lèi)節(jié)點(diǎn)構(gòu)件應(yīng)力集中系數(shù)的影響.

空間管節(jié)點(diǎn);有限元;應(yīng)力集中;應(yīng)力集中系數(shù)

1947年世界上第一個(gè)現(xiàn)代化的海洋平臺(tái)在墨西哥海灣建成,這使人們首次真正認(rèn)識(shí)到鋼管作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的優(yōu)越性[1].上個(gè)世紀(jì)八十年代末,我國(guó)在西南地區(qū)開(kāi)始了將鋼管混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用于拱橋的實(shí)踐.1990年第一座鋼管混凝土拱橋-四川旺倉(cāng)東河大橋建成.此后,這種橋型在我國(guó)的公路建設(shè)中得到大量的應(yīng)用和發(fā)展,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),已建成和在建的鋼管混凝土拱橋已達(dá)200余座.而絕大部分鋼管混凝土拱橋拱肋為桁式結(jié)構(gòu),管節(jié)點(diǎn)大量存在于結(jié)構(gòu)中.圓鋼管截面具有各向等強(qiáng),抗扭剛度大,截面無(wú)弱軸等優(yōu)越性能,且由鋼管組成的結(jié)構(gòu)承載力高,用鋼量較節(jié)省,外形輕巧美觀[2].鋼管節(jié)點(diǎn)的形式多種多樣.在眾多的節(jié)點(diǎn)形式中,由管構(gòu)件直接焊接組成的直接焊接節(jié)點(diǎn)形式簡(jiǎn)單,不需要連接件,有著省料、受力性能好、節(jié)點(diǎn)承載力大等優(yōu)點(diǎn),隨著加工和施工技術(shù)的自動(dòng)化,該類(lèi)節(jié)點(diǎn)越來(lái)越受到歡迎.在節(jié)點(diǎn)中,荷載由支管直接傳給主管.由于支管的軸向剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主管的徑向剛度,主支管的相貫線成為整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)[3].合理的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造及其設(shè)計(jì)方法引起了廣大設(shè)計(jì)者們的關(guān)注.本文采用有限元軟件ANSYS對(duì)典型鋼管混凝土和空鋼管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力集中分析.

1 節(jié)點(diǎn)介紹

本文選取以下三種工程中的典型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究:

①DTY型節(jié)點(diǎn):構(gòu)件由五支鋼管組成,其中斜桿水平傾角為38.6°,如圖1所示;

圖1 DTY型節(jié)點(diǎn)

②XYT型節(jié)點(diǎn):構(gòu)件由六支鋼管組成,其中斜桿水平傾角為34.6°,如圖2所示;

圖2 XYT型節(jié)點(diǎn)

③DTDY型節(jié)點(diǎn):構(gòu)件由六支鋼管組成,其中斜桿水平傾角為35.8°,橫向支管與主管成 57.6°交角,如圖3所示.

圖3 DTDY型節(jié)點(diǎn)

桁架管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力影響因素很多[4,5],且影響因素之間相互關(guān)聯(lián).本文主要考慮如下兩個(gè)幾何參數(shù)的影響:

①主支管管徑比:為便于比較,僅改變支管管徑來(lái)改變主支管管徑比.分析取支管管徑變化范圍為350mm至700mm,每25mm取一工況.

②主支管夾角:取主管的水平傾角在0°～60°之間變化考慮主管與支管夾角變化,每5°取一工況.

2 應(yīng)力集中分析中的幾個(gè)問(wèn)題

2.1 應(yīng)力集中中的幾個(gè)基本概念

我們一般稱(chēng)發(fā)生最大幾何應(yīng)力的位置為熱點(diǎn),相應(yīng)的最大幾何應(yīng)力稱(chēng)為熱點(diǎn)應(yīng)力,應(yīng)力集中系數(shù)(SCF)為節(jié)點(diǎn)處最大應(yīng)力與遠(yuǎn)離節(jié)點(diǎn)的管處名義應(yīng)力之比[6]:

式中,σ—節(jié)點(diǎn)任意處的應(yīng)力;σn—支管名義應(yīng)力,

其中:

規(guī)定:拉應(yīng)力符號(hào)為“+”,壓應(yīng)力符號(hào)為“-”.SCF反應(yīng)了管道節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力不均勻程度.它的大小與管節(jié)點(diǎn)幾何尺寸、材料、焊接工藝(主要通過(guò)殘余應(yīng)力表現(xiàn)出來(lái))、制造工藝和加載方式等有關(guān).國(guó)內(nèi)外研究者一致認(rèn)為,SCF反映的是結(jié)構(gòu)本身的特性,與外加荷載大小無(wú)關(guān)[5].

本文對(duì)圖1～圖3示節(jié)點(diǎn)分析空間管節(jié)點(diǎn)在軸向力P作用下的應(yīng)力集中情況,由于空間多支管接頭的應(yīng)力集中現(xiàn)象比較復(fù)雜,但就其最大應(yīng)力而言,總是發(fā)生在連接處.因此有理由將應(yīng)力集中的研究,僅限于接頭的所有交貫線上.本文正是在這樣的背景下展開(kāi)研究的.

2.2 有限元模型約束及加載

對(duì)以上節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值分析時(shí),由于支管剛度較主管剛度大得多,可假定節(jié)點(diǎn)主管剛度無(wú)窮大,故施加約束在主管兩端,且三個(gè)方向的自由度全部約束.其他桿件管端均為自由端,支管作用軸向力P.

2.3 分析基本假設(shè)

分析過(guò)程中本文采用如下的基本假定:鋼和混凝土皆在彈性范圍內(nèi)工作;鋼管與混凝土粘結(jié)良好,之間無(wú)脫空和相對(duì)滑移現(xiàn)象;不考慮鋼和混凝土的徐變、收縮、溫度和初應(yīng)力的對(duì)構(gòu)件的影響.

3 節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中計(jì)算分析

根據(jù)上述內(nèi)容,本文對(duì)選定的三類(lèi)鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)和空鋼管節(jié)點(diǎn)分別考慮隨主支管夾角及支管管徑變化在軸力作用下應(yīng)力集中情況,分析共擬定節(jié)點(diǎn)模型168個(gè),其中主管內(nèi)填充混凝土節(jié)點(diǎn)84個(gè),主管未灌注混凝土結(jié)點(diǎn)84個(gè).模型采用2種單元:混凝土用Solid65單元,鋼管用Solid45單元,混凝土與鋼管交接面采用面面粘結(jié)而共節(jié)點(diǎn).

3.1 DTY型節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中研究

經(jīng)計(jì)算,得到軸力作用下改變DT Y型節(jié)點(diǎn)支管管徑和主支管夾角的SCF值.其結(jié)果見(jiàn)圖4～圖5.

圖示數(shù)據(jù)表明:隨著支管管徑的增大,在軸力作用下鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)SCF在5.6～7.3之間變化,空鋼管節(jié)點(diǎn)SCF在11.4～25.3之間變化;主支管夾角變化時(shí),鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)在軸力作用下SCF在6.4～8.0之間變化,而空鋼管節(jié)點(diǎn)的SCF在7.6～1.5之間變化.不難發(fā)現(xiàn),軸力作用下總是空鋼管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中現(xiàn)象比鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)突出很多.整體上來(lái)說(shuō),在僅軸向力作用下,支管管徑的變化對(duì)鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)SCF變化影響不大,對(duì)空鋼管節(jié)點(diǎn)有一定的影響;而主支管夾角的變化相對(duì)來(lái)說(shuō)對(duì)SCF值的影響均較小.但是,無(wú)論是鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)還是空鋼管節(jié)點(diǎn),都存在很明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象.

3.2 XYT型節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中研究

經(jīng)計(jì)算,得到軸力作用下改變XYT型節(jié)點(diǎn)支管管徑和主支管夾角的SCF值.其結(jié)果見(jiàn)圖6～圖7.

圖示數(shù)據(jù)表明:隨著支管管徑的增大,在軸力作用下鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)其SCF在4.8～6.9之間變化,空鋼管節(jié)點(diǎn)SCF在8.1～14.8之間變化;主支管夾角變化時(shí),鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)在軸力作用下SCF在6.0～7.7之間變化,而空鋼管節(jié)點(diǎn)的SCF在7.4～9.8之間變化.軸力作用下總是空鋼管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中現(xiàn)象比鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)突出很多.另外,在軸力作用下,支管管徑的變化對(duì)鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)和空鋼管節(jié)點(diǎn)的SCF值影響均不大;對(duì)主支管夾角的變化規(guī)律也是如此.但是,無(wú)論是鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)還是空鋼管節(jié)點(diǎn),也都存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象.

3.3 DTDY型節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中研究

經(jīng)計(jì)算,得到軸力作用下改變DTDY型節(jié)點(diǎn)支管管徑和主支管夾角的SCF值.其結(jié)果見(jiàn)圖8～圖9.

圖示數(shù)據(jù)表明:隨著支管管徑的變化,在軸力作用下鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)SCF在4.9～7.2之間變化,空鋼管節(jié)點(diǎn)SCF在6.0～9.8之間變化;主支管夾角變化時(shí),鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)在軸力作用下SCF在5.9～8.4之間變化,而空鋼管節(jié)點(diǎn)的SCF在7.2～10.6之間變化.不難發(fā)現(xiàn),軸力作用下總是空鋼管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中現(xiàn)象比鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)突出很多.圖形顯示,在軸向力作用下,隨支管管徑的增大,鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)和空鋼管節(jié)點(diǎn)的SCF值有增大的趨勢(shì),而對(duì)主支管夾角這一參數(shù)來(lái)說(shuō),鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)和空鋼管節(jié)點(diǎn)的SCF值的變化趨勢(shì)是先增大后減小.無(wú)論是鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)還是空鋼管節(jié)點(diǎn),都存在較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象.

4 結(jié) 語(yǔ)

從以上圖示我們可以看出,空鋼管節(jié)點(diǎn)較鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)SCF值均大,顯示了鋼管混凝土構(gòu)件良好的受力性能,但是,不論是鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)還是空鋼管節(jié)點(diǎn),都存在較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象,有些空間管道節(jié)點(diǎn)的SCF值甚至高達(dá)25以上.各根支管每個(gè)名義應(yīng)力相應(yīng)的載荷,引起交貫線上的某種應(yīng)力分布高度集中.引起節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布不均勻的原因是多方面的,主要原因是由于主、支管相貫線復(fù)雜的幾何形狀所致.不管何種原因,應(yīng)力集中對(duì)節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命起者控制性的影響.設(shè)計(jì)中忽略應(yīng)力集中這一重要影響,往往就會(huì)導(dǎo)致偏于危險(xiǎn)的設(shè)計(jì).而目前的現(xiàn)實(shí)是:應(yīng)力集中這一概念很多時(shí)候常常不被設(shè)計(jì)者所重視.應(yīng)力集中導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的提前失效,對(duì)其嚴(yán)峻的亮起紅燈.因此,對(duì)于正在構(gòu)思、設(shè)計(jì)乃至建造的管道結(jié)構(gòu)應(yīng)該對(duì)此加以重視.

[1]王 琮.海洋工程結(jié)構(gòu)物局部結(jié)構(gòu)疲勞行為基礎(chǔ)研究[D].大連:大連理工大學(xué),碩士學(xué)位論文,2004.

[2]楊 群,譚慶輝,劉小兵.空間管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中分析[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,19(1):83-86.

[3]袁慧芳.橋梁管道結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中及疲勞壽命[D].成都:四川大學(xué)碩士學(xué)位論文,2000.

[4]李星榮,魏才昂,丁峙崐,李和華.鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)手冊(cè)(第二版)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2005:63-71.

[5]王庭英,金志展.鋼管混凝土橋梁鋼(管)結(jié)構(gòu)制造與安裝[M].北京:人民交通出版社,2003:358-388.

[6]G.J van der Vegte,J Wardenier.The Static Strength of Multiplannar Tubular TX-joints Under Axial Loading Excluding the Effects of Overall Chord Bending Moments[J].Journal of Constructional Steel Research,1998,47:141-168.

A Theoretical Analysis for Both Spatial Joints of Concrete-filled Steel Pipe Tubular and Hollow Steel

YANG Qun1,LIU Xiao-bing2
(1.School of Civil Engineering,Hunan Institute of Engineering,Xiangtan 411104,China;2.School of Civil Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China)

T he steel tubular structure is adopted widely nowadays It is of high load-carry capacity,good at plasticity and malleability,easy to execute and construct,excellent in fire resistance and economy.Recently,the concrete-filled steel tubular structure is adopted widely in bridge engineering,The designing of tubular joint both in Concrete-filled steel pipe tubular and hollow steel is a very important subject for various tubal structures.The directly welded interpenetrating tubular joint which is widely used is spatial thin wall entity composed of several braces and chords.Therefore,its distribution of stress is very complicated.As a consequence of this situation,in this paper,with help of the software ANSYS,effects of both ratio of diameter and angle of braces and chords on stress concentration factor of tubular joints are studied through finite element analysis of three typical directly welded interpenetrating tubular joints.

spatial tubular joint;finite element;stress concentration;stress concentration factor

U441

A

1671-119X(2010)04-0070-04

2010-05-10

交通部西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目(2003318798201)

楊 群(1981-),女,碩士,助教,研究方向:鋼管混凝土拱橋研究.