超大型浮式網(wǎng)架結構節(jié)點的選型及有限元分析

高艷紅，劉文白（上海海事大學　海洋科學與工程學院，上海　201306）

超大型浮式網(wǎng)架結構節(jié)點的選型及有限元分析

高艷紅，劉文白
（上海海事大學海洋科學與工程學院，上海201306）

對各種節(jié)點類型的優(yōu)缺點進行分析對比，選出最適宜浮式網(wǎng)架結構的節(jié)點型式為球節(jié)點，并運用ABAQUS有限元軟件對球節(jié)點的力學性能進行數(shù)值模擬分析，計算得出球節(jié)點的極限承載能力。作為實際工程運用的參考，設置加勁肋的用以提高球節(jié)點的力學性能。

浮式網(wǎng)架；節(jié)點；有限元分析；加勁肋

0　引言

當今世界空間與資源總儲量緊張情勢遠遠不能滿足當今經(jīng)濟的飛速發(fā)展，因此海洋工程界開啟了一個新的研究領域，即超大型浮式結構的研究。其結構具有整體性好、工業(yè)化程度高、施工周期短、消波性好、受自然條件限制較小等優(yōu)點［1］。針對新型海洋結構浮式網(wǎng)架的相關研究主要集中在整體結構選型及其穩(wěn)定性分析。節(jié)點作為結構的關鍵受力與傳力構件，具有極復雜的受力環(huán)境與破壞型式，其力學性能對結構的整體性及穩(wěn)定性有著至關重要的作用。

1　浮式結構節(jié)點選型

按照力學特性，節(jié)點可分為剛性連接節(jié)點、半剛性連接節(jié)點和鉸接連接節(jié)點；按照構造形式，節(jié)點具體可分為：螺栓球節(jié)點、焊接空心球節(jié)點、鋼管圓筒節(jié)點、焊接鋼板節(jié)點、鋼管鼓節(jié)點等。

節(jié)點交匯處都連接有數(shù)根桿件，受力復雜，確定節(jié)點類型需要滿足與計算假定相符、盡量避免偏心、具有足夠的強度等原則，結合各類型連接節(jié)點的受力狀況、制作工藝等特征，浮式網(wǎng)架結構連接節(jié)點形式選為焊接空心球節(jié)點。

2　空心球節(jié)點的有限元分析

2.1模型參數(shù)及材料屬性

表1　模型參數(shù)及材料屬

2.2有限元原理

進行數(shù)值模擬時，焊接空心球節(jié)點可看做很薄的殼體，進而選擇殼單元進行計算；同時也能夠看做是三維連續(xù)體，選用實體單元來進行有限元分析。唐海軍采用兩種單元對焊接空心球節(jié)點進行了分析比較，認為實體單元能夠更精確的反應節(jié)點在受荷過程中的變形和應力情況［2］。選用實體單元，考慮幾何非線性。大量研究表明，焊接球節(jié)點在軸向受拉時為強度破壞，軸向受壓時為彈塑性壓曲破壞，且單向受力與雙向受力時其破壞荷載接近［3］，因此，對球節(jié)點進行單向受力的數(shù)值模擬分析。

2.3有限元分析結果

通過ABAQUS軟件對球節(jié)點的分析，可得到：

（1）球節(jié)點周圍應力、應變分布均勻；

（2）桿件周圍應力、應變分布均勻；

（3）在焊趾處（即球節(jié)點與桿件的焊接處），應力稍有集中；

（4）由焊趾處至球節(jié)點中心平面，節(jié)點的應力值逐漸減小。

球節(jié)點極限承載能力：由對焊接空心球節(jié)點的有限元分析得到：空心球節(jié)點的受拉極限承載能力為1.18*108N，受壓極限承載能力為1.15*108N。因此，在條件相同情況下，球節(jié)點的受拉極限承載能力和受壓極限能力大體相當，稍大于受壓極限承載能力。

3　加勁肋的設置對節(jié)點性能的改善

浮式網(wǎng)架結構的球節(jié)點具有超大直徑，其本身對于結構整體又具有關鍵性作用，故需保證節(jié)點在設計荷載作用下的安全穩(wěn)定性，如希望球節(jié)點具有更大的承載能力，設置加勁肋是最有效的措施之一［4］。故對節(jié)點設置加勁肋用以提高其承載能力?？招那虻募觿爬哳愋椭饕捎铆h(huán)肋與實心圓肋，不同類型的肋又可布置成不同的形式，以肋的個數(shù)可分為單肋與雙肋兩種形式，一定數(shù)量的肋又可布置成不同角度。經(jīng)過有限元分析，可得出同樣布置條件下：

（1）實心圓肋對節(jié)點力學性能的提高系數(shù)稍高于環(huán)肋；

（2）雙肋對節(jié)點性能的提高系數(shù)高于單肋；

（3）加勁肋對節(jié)點性能的提高系數(shù)隨肋面與荷載方向夾角的減小而增大；

4　結論

（1）結構節(jié)點形式選用焊接空心球節(jié)點，滿足力學特性、施工工藝等方面的要求；

（2）球節(jié)點在受力作用下應力、應變分布較為均勻，在焊趾處具有一定的應力集中現(xiàn)象；

（3）加勁肋對于空心球節(jié)點的力學性能具有明顯的改善作用，提高系數(shù)與加勁肋的布置型式及布置方式相關。在浮式網(wǎng)架結構中加勁肋的布置平面應盡量與合力處于同一方向，能夠有效地加勁肋的作用。

［1］Liu Wenbai，Su Kejia，Xi SshiLei.The selection and numerical simulation of marine engineering floating pier structure［J］.Advanced Materials Research Vols，2011，4705：243-249.

［2］唐海軍.軸力與彎矩共同作用下焊接空心球節(jié)點承載力與實用計算方法研究［D］.浙江，2005.

［3］唐波，余江滔，陸洲導，俞可權.加勁肋對焊接球節(jié)點力學性能影響的數(shù)值分析［J］.結構工程師，2011，27（01）：40-46.

［4］童樂為，顧敏，陳以一.具有內(nèi)加勁肋的空間多支管的圓管節(jié)點性能研究［J］.建筑結構，2009，39（01）：69-72.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.238

高艷紅（1991-），河南濮陽人，碩士研究生，研究方向：超大型浮式網(wǎng)架結構節(jié)點的研究。