桁架拱輕鋼大棚骨架K型節(jié)點受力性能對比與分析

解恒燕，劉彪

（黑龍江八一農墾大學工程學院，大慶 613319）

桁架拱輕鋼大棚骨架K型節(jié)點受力性能對比與分析

解恒燕，劉彪

（黑龍江八一農墾大學工程學院，大慶 613319）

我國北方寒區(qū)常發(fā)生桁架拱輕鋼大棚在暴風、暴雪共同作用下破壞。以桁架拱輕鋼大棚骨架的薄弱部位即K型節(jié)點[1-3]為研究對象，采用ANSYS有限元分析軟件對灌漿K型節(jié)點及空心K型節(jié)點進行模擬靜力分析，同時進行了灌漿K型節(jié)點及空心K型節(jié)點靜力加載試驗，驗證了有限元分析結果的正確性。分析結果表明，灌漿K型節(jié)點與空心K型節(jié)點的最大應力均出現(xiàn)在受壓支桿與主管焊接處，且灌漿K型節(jié)點應力明顯小于空心K型節(jié)點應力，灌漿改善了桁架拱輕鋼大棚骨架K型節(jié)點的受力性能，為灌漿桁架拱輕鋼大棚骨架的整體分析提供了依據(jù)。

桁架拱輕鋼大棚骨架；灌漿K型節(jié)點；空心K型節(jié)點；受力性能

桁架拱輕鋼大棚是我國北方寒區(qū)常見的溫室形式，如圖1所示，這種大棚骨架是由鋼管（上弦）和鋼筋或鋼棒（腹桿及下弦）組成，如圖2所示。

我國北方寒區(qū)冬季溫度低，工程結構遭受風荷載及雪荷載作用明顯，黑龍江省常發(fā)生大棚骨架在雪荷載和風荷載作用下的破壞，而上弦節(jié)點是該大棚骨架的薄弱部位。為提高大棚抵抗風雪荷載的能力，將土木工程中灌漿鋼管混凝土的思想引入到桁架拱輕鋼大棚中，在受壓主管內灌注素水泥漿，形成灌漿鋼管節(jié)點，改善骨架整體的受力性能。擬利用有限元軟件ANSYS對桁架拱輕鋼大棚灌漿K型節(jié)點與空心鋼管K型節(jié)點受力性能進行對比分析，考察灌漿對空心K型節(jié)點受力性能的影響情況及規(guī)律。

1 建立有限元模型

1.1 選取有限元單元

利用ANSYS軟件建立空心K型節(jié)點和灌漿K型節(jié)點有限元分析模型如圖3和圖4所示?？招腒型節(jié)點鋼管采用SOLID45單元，該單元用于構造三維實體結構，單元通過8個節(jié)點來定義，每個節(jié)點有沿著xyz方向平移的3個自由度，具有塑性，蠕變，膨脹，應力強化，大變形和大應變能力。灌漿K型節(jié)點鋼管也采用SOLID45單元，水泥石采用SOLID65單元。SOLID65單元用于含鋼筋或不含鋼筋的三維實體模型。該實體模型具有拉裂與壓碎的性能，并具有8個節(jié)點，每個節(jié)點有3個自由度[4]。有限元分析中，鋼管采用Q345鋼材，應力-應變曲線采用雙線性隨動強化準則，屈服強度取345 MPa，彈性模量為2.06× 105MPa，泊松比為0.27[5-6]；水泥石的應力-應變曲線采用多線性隨動強化準則，彈性模量取為2.8× 104MPa，泊松比取為0.167[7]。分析中，不考慮主管與腹桿焊接、鋼管與水泥石的相對滑動對節(jié)點受力性能的影響。

圖1 桁架拱輕鋼大棚Fig.1 The trussed arch lightweight steel greenhouse

圖2 大棚骨架節(jié)點Fig.2 K-joints of skeletons of greenhouse

圖3 空心K型節(jié)點有限元分析模型Fig.3 FEA model of hollow type K-joints

圖4 灌漿K型節(jié)點有限元分析模型Fig.4 FEA model of grouting type K-joints

1.2 大棚骨架荷載計算

分析的桁架拱輕鋼大棚骨架跨度l=6 m，高度f=2.1 m，桁架拱骨架節(jié)點均簡化為理想鉸結點，簡化后計算模型如圖5所示。按照《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）[6]中給出雪荷載標準值計算公式為：

式中：sk—雪荷載標準值（kN·m-2）；

μr—屋面雪荷載分布系數(shù)，考慮雪荷載最不利情況，取1.0；

s0—基本雪壓（kN·m-2），因大棚對雪荷載敏感，這里取黑龍江省100年重現(xiàn)期雪壓最大值s0=1.6 kN·m-2。

雪荷載標準值sk=1.6 kN·m-2。

大棚骨架間距，按照常規(guī)取為1.5 m，作用在單榀骨架上的豎向均布線荷載：q=1.5×1.6=2.4 kN·m-1。桁架拱骨架節(jié)點間距為0.3 m，將均布線荷載簡化為作用在節(jié)點處的集中力P=2.4×0.3=0.72 kN。計算得到大棚跨中附近弦桿軸力最大為16.644 kN，該處受壓支桿軸力為0.506 kN，受拉支桿軸力為0.506 kN，因此選擇此處的K型節(jié)點進行分析。

圖5 大棚的計算模型Fig.5 Calculation model of greenhouses

圖6 K型節(jié)點簡圖Fig.6 Diagram of K-joints

1.3 試驗設計及有限元計算結果

對灌漿K型節(jié)點與空心K型節(jié)點設計了相同的3因素3水平正交試驗，影響因素為上弦管直徑D、主管與支桿夾角θ、支桿直徑d，每個因素選取3個水平。進行靜力加載試驗有限元模擬時，各K型節(jié)點主管、支桿軸力及約束均相同。正交試驗設計及有限元計算所得灌漿K型節(jié)點與空心K型節(jié)點試件最大應力值見表1。

表1 正交試驗設計及有限元算得的K型節(jié)點試件最大應力值Table 1 The orthogonal experiment design and finite element calculation of the maximum stress value of K-joints

2 有限元計算結果分析

由表1可見：在相同荷載作用下，灌漿K型節(jié)點比空心K型節(jié)點最大應力值均有所降低。第1組灌漿K型節(jié)點與空心K型節(jié)點試件的應力云圖如圖7、8所示。

圖7 第1組灌漿K型節(jié)點應力云圖Fig.7 Grouting K-joints stress nephogram of group1

圖8 第1組空心K型節(jié)點應力云圖Fig.8 Hollow K-joints stress nephogram of group 1

由圖7、8可知，灌漿K型節(jié)點與空心K型節(jié)點最大應力均出現(xiàn)在主管與受壓支桿焊接處。但灌漿K型節(jié)點相比于空心K型節(jié)點最大應力降低32.25%，同時可見灌漿鋼管管壁各處應力均比空心鋼管管壁應力小。主管焊接區(qū)域外應力分布均較均勻，且應力遠小于材料的屈服強度。因此應從加強主管與支管焊接處來加強節(jié)點的受力性能，避免造成材料浪費。

灌漿鋼管管壁應力降低的原因是鋼管與水泥石共同工作時，內部水泥石在鋼管管壁的約束作用下處于三向受力狀態(tài)，從而提高了水泥石的抗壓強度及變形性能。同時由于水泥石的支撐作用改善了空心鋼管的穩(wěn)定性從而改善了空心鋼管的受力性能。鋼管和水泥石二者相互作用，使得兩種材料被充分利用，共同改善了灌漿鋼管的受力性能。

3 模型試驗

3.1 K型節(jié)點及應變片粘貼方式

選取表1中第3組灌漿K型節(jié)點與空心K型節(jié)點試件進行試驗，試件如圖7所示。灌漿K型節(jié)點與空心K型節(jié)點試件數(shù)量各取3個，圖8為試件上粘貼應變片粘貼位置。共粘貼7個應變片，其中1～3號應變片貼在管壁位置，4～7號應變片貼在主管支桿焊接區(qū)域。且均通過導線連接在DH-3816靜態(tài)應變采集系統(tǒng)上采集各測點的應變。

圖9 K型節(jié)點試件Fig.9 Specimens of K-joints

圖10 試件上應變片粘貼位置Fig.10 Specimen strain gauge on the paste position

3.2 加載裝置

試驗加載裝置如圖9所示。該加載裝置為自行設計的封閉式鋼框反力架，試驗時主管及支桿軸向壓力均通過千斤頂施加，通過傳感器讀取千斤頂施加的壓力值。支桿軸向拉力通過鋼繩懸掛配重直接施加。

圖11 試驗加載裝置Fig.11 Loading device of test

3.3 加載機制

由有限元分析結果可知最大應力均出現(xiàn)在主管與受壓支桿焊接處，為考察此處最大應力隨受壓支桿軸力變化情況，試驗加載機制為將空心與灌漿K型節(jié)點均將主管軸力固定為6.5 kN，拉桿軸力固定為0.65 kN，壓桿軸力由0.65 kN至6.5 kN分10級逐級施加。

3.4 有限元計算結果與試驗結果對比

由試驗實測得到焊接區(qū)域測點應力值明顯大于焊接區(qū)域外測點應力值，這一結果與有限元結果相符合。表2給出了灌漿K型節(jié)點與空心K型節(jié)點有限元計算與試驗實測各測點應力值。表中應力值為試驗測得的3個試件測點應力的平均值。

表2 灌漿K型節(jié)點及空心K型節(jié)點有限元計算與試驗實測應力值Table 2 Grouting and hollow type K-joints finite element calculation and test of the measured stress value

由表2可知，灌漿K型節(jié)點空心K型節(jié)點有限元計算結果與試驗實測結果相差最大為6.33%。有限元分析及模型試驗加載過程中K型節(jié)點均處于彈性階段，通過對比分析可見，采用有限元分析灌漿K型節(jié)點空心K型節(jié)點的結果是可靠的。

4 結論

利用有限元軟件ANSYS對桁架拱輕鋼大棚骨架灌漿K型節(jié)點及空心K型節(jié)點進行了3因素3水平的正交模擬靜力分析。進行了灌漿K型節(jié)點及空心K型節(jié)點靜力加載試驗，試驗驗證了有限元分析結果的正確性。分析結果表明，灌漿改善了桁架拱輕鋼大棚骨架K型結果的受力性能，為灌漿桁架拱輕鋼大棚骨架整體分析提供了依據(jù)與素材。

［1］宋謙益.圓鋼管混凝-鋼管K形節(jié)點的力學性能研究［D］.上海：清華大學，2005.

［2］鄭蓮瓊.平面K型圓鋼管混凝土桁架節(jié)點力學性能分析［J］.鋼結構，2011，26（11）：20-23.

［3］Tebbett I E，Beckett C D，Billington C J.The punching shear strength of tubular joints reinforced with a grouted pile［C］.HoustonTexas：Offshore Technology Conference Association，1979.

［4］解恒燕，李海艷.鋼纖維活性粉末混凝土高溫爆裂性能對比分析［J］.黑龍江八一農墾大學學報，2015，27（4）：87-91.

［5］王秀麗.薄壁圓管相貫加強環(huán)節(jié)點承載力性能研究［J］.建筑科學，2006，22（2）：1-7.

［6］柴冬冬.索—拱結構單棟塑料大棚骨架力學性能研究［D］.大慶：黑龍江八一農墾大學，2015.

［7］張格明.預應力內置灌漿方鋼管桁架混凝土組合梁基本問題研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2007.

Analysis and Comparison of the Mechanical Behavior of K-joints of Trussed Arch Lightweight Steel Skeletons of Greenhouse

Xie Hengyan，Liu Biao
（College of Engineering，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319）

The trussed arch lightweight steel skeletons of greenhouse were always destroyed under the effect of heavy snowfall and storm wind in the northern cold regions of our country.K-joints of trussed arch lightweight steel skeletons of greenhouse were selected as the object of studybefore the static behavior of grouting K-joints and hollow K-joints was analyzed by using the software ANSYS.Meanwhilethe static loading tests of grouting K-joints and hollow K-joints were carried out in order to prove the veracity of FEA result.The analysis showed that the maximum stress was found at the weld of compression member and main pipe in both grouting K-joints and hollow K-jointsand the node stress of grouting K-joints was much smaller than the node stress of hollow ones. Grouting improved the mechanical behavior of K-joints of trussed arch lightweight steel skeletons of greenhouse.Alsothe basis could provide the integral analysis of grouting trussed arch lightweight steel skeletons of greenhouse.

the trussed arch lightweight steel skeletons of greenhouse;grouting K-joints;hollow K-joints;the mechanical behavior

TU392.2

A

1002-2090（2016）05-0105-04

10.3969/j.issn.1002-2090.2016.05.021

2016-03-20

黑龍江八一農墾大學引進人才科研啟動計劃項目（XYB2012-15）；黑龍江省教育廳新世紀優(yōu)秀人才支持計劃項目（灌漿鋼管作主受力構件的溫室結構基本性能研究：20102305120003）。

解恒燕（1973-），女，副教授，哈爾濱工業(yè)大學畢業(yè)，現(xiàn)主要從事土木工程材料、農業(yè)生物環(huán)境與能源工程研究工作。