某復雜空間相貫節(jié)點有限元分析

劉利文

(西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031)

目前國內(nèi)外關于復雜空間相貫節(jié)點的研究較少，相關文獻主要集中于平面K、T、X型，以及TT、KK型節(jié)點上[1]。我國現(xiàn)行GB 50017-2003《鋼結構設計規(guī)范》[2]并沒有明確給出受力性能復雜的空間相貫節(jié)點的計算方法。因此，目前對復雜空間相貫節(jié)點進行研究具有重要的理論和實際意義。近年來對于受力性能復雜的空間相貫節(jié)點的研究多采用試驗或有限元分析的方法[3]。本文以某超高層建筑工程為背景，選取其鋼桁架的關鍵空間相貫節(jié)點為研究對象，采用有限元方法對其設計承載力進行驗算并找出節(jié)點的薄弱部位，同時提出提高節(jié)點承載性能的加勁措施并進行有限元驗證分析。

1　計算模型

1.1　節(jié)點概況

如圖1所示，本文研究的節(jié)點桿件較多，構造復雜，為提高節(jié)點的承載力，減少主管的變形，節(jié)點設置有插板。節(jié)點各桿件截面尺寸、插板厚度、分別見表1,節(jié)點采用Q345鋼。

圖1　節(jié)點三維示意

1.2　節(jié)點有限元模型建立

由于本文所研究的節(jié)點空間構造較為復雜，利用常規(guī)的AutoCAD軟件建模較為困難，因此采用功能強大的三維建模軟件Rhino建立其幾何模型。根據(jù)圣維南原理，有限元模型中節(jié)點各桿件的長度取桿件直徑的3～4倍。如圖2所示，采用通用有限元軟件ABAQUS建立本文節(jié)點的有限元模型，其中模型的單元選用SR4(四節(jié)點減縮積分殼單元)單元。該空間相貫節(jié)點十分復雜，為提高模型計算效率，并同時保證模型的計算精度，模型的網(wǎng)格劃分應采用四邊形單元為主的自由網(wǎng)格劃分方法，并應對節(jié)點桿件相貫處的網(wǎng)格進行加密。

圖2　節(jié)點有限元模型

桿件編號截面/mm桿件編號截面/mm1D406X285D406X162D377X186D325X103D406X287D245X84D406X288D377X189D600X301、3、4、7號桿的插板30 mm厚2號桿插板20 mm厚5、8號桿的插板18 mm厚6號桿的插板12 mm厚

節(jié)點模型采用Q345鋼，屈服強度為310 MPa(部分截面厚度大于16 mm小于35 mm則屈服強度取295 MPa)，彈性模量2.06×105MPa，泊松比取0.3，材料本構采用理想彈塑性模型，服從von-Mises屈服準則。節(jié)點的加載及邊界條件情況如圖3所示，除加載端為自由端外其余桿端邊界條件采用鉸接。為模擬最不利荷載工況下節(jié)點實際受力情況，從該結構整體模型中提取節(jié)點加載端桿的軸力，并把該軸力作為外荷載施加在模型上(表2)。

圖3　節(jié)點加載及邊界條件示意

桿件編號軸力/kN 桿件編號軸力/kN428165573.56-16983042.59(頂部)-1519.5

1.3　節(jié)點有限元分析結果

節(jié)點的von-Mises應力云圖見圖4，由圖可知4號、5號、8號桿與主管交匯處局部進入塑性，節(jié)點其它區(qū)域仍處于彈性狀態(tài)，大部分桿件應力小于200 MPa，插板與節(jié)點交匯處有應力集中現(xiàn)象，4號插板局部高達295 MPa(已屈服)，其余大部分區(qū)域應力較小(小于120 MPa)。由圖4可知節(jié)點整體變形較小，僅4號、5號、8號桿與主管交匯處主管局部區(qū)域變形較大，變形為0.7 mm，小于0.01d(約6 mm，d為桿件直徑)的極限變形值[4]，說明主管雖然未破壞但是局部區(qū)域已進入塑性。根據(jù)圖4可判斷出4號、5號、8號桿與主桿交匯處的局部區(qū)域為節(jié)點的薄弱區(qū)。

圖4　節(jié)點的von-Mises應力云圖

1.4　節(jié)點加強方案

目前鋼管節(jié)點加強主要有：在主管內(nèi)部灌漿，增加主管壁厚、主管加套管、加墊板、主管內(nèi)外設置肋環(huán)，及加節(jié)點板等方法[5]。

其中在主管外設置與支管相連的加勁板可以分散支管端傳來的軸向荷載，減小相貫線處主管管壁荷載，達到提高節(jié)點承載力的目的[6]。

節(jié)點薄弱區(qū)在4號、5號、8號桿與主管相貫處區(qū)域。為提高節(jié)點承載性能，綜合考慮施工便利性及經(jīng)濟性，節(jié)點采用增設加勁板的加強方案。并根據(jù)其變形特點分析可知，節(jié)點薄弱區(qū)主管管壁產(chǎn)生凹陷變形，其變形呈豎向分布,即該區(qū)域豎向剛度較弱，應給予加強。因此如圖5所示增設加勁板(板厚30 mm)。其von-Mises應力云圖見圖6，可知在增加加勁板后其薄弱區(qū)應力下降到250 MPa，其承載力得到顯著提高。

(a)加勁板位置　 (b)加勁板圖5　節(jié)點加勁

圖6　節(jié)點加強后的應力云圖

2　結論

根據(jù)以上有限元分析可以得出以下結論和建議。

(1)有限元結果表明，在最不利工況下節(jié)點整體處于彈性狀態(tài)，變形很小，仍有一定安全儲備，滿足設計要求。

(2)通過有限元分析可以直觀的發(fā)現(xiàn)節(jié)點的薄弱區(qū)。在節(jié)點的薄弱區(qū)根據(jù)其受力特點合理的設置加勁板，可以有效的改善節(jié)點薄弱區(qū)的受力狀況，提高其承載力。建議采用該方式來提高此類節(jié)點承載能力。

(3)本文有限元模型忽略了焊縫及殘余應力的影響，有待日后進一步的研究。