開洞K 形圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)極限承載力研究

黃繪錦 李軍旗

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070)

1 概述

鋼管結(jié)構(gòu)具有受力性能良好，質(zhì)量輕巧，外形美觀等優(yōu)點(diǎn)［1］，伴隨著我國施工設(shè)計(jì)技術(shù)以及產(chǎn)鋼能力的大幅提升，其應(yīng)用前景將更加廣泛。目前圓鋼管結(jié)構(gòu)中常用的節(jié)點(diǎn)類型有螺栓節(jié)點(diǎn)、相貫節(jié)點(diǎn)及多種形式的組合節(jié)點(diǎn)等。其中，相貫節(jié)點(diǎn)由于其外觀簡潔明了，構(gòu)件連接方便，不增加用鋼量，在鋼管結(jié)構(gòu)中得到了普遍應(yīng)用［2］。早在20世紀(jì)60年代，鷲尾健三等［3］就對K形相貫節(jié)點(diǎn)開始進(jìn)行系統(tǒng)的參數(shù)研究，得出了K形節(jié)點(diǎn)承載力試驗(yàn)公式。目前，研究人員通過靜力承載力的試驗(yàn)積累了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在此領(lǐng)域研究的已經(jīng)較為成熟［4］。實(shí)際工程中由于管線和落水管的隱蔽埋設(shè)要求，會遇到在相貫節(jié)點(diǎn)處開洞的要求，即在節(jié)點(diǎn)支管和主管的相交處的內(nèi)部進(jìn)行主管開洞，這樣會造成節(jié)點(diǎn)的承載力降低等影響［5］。本文通過建立參數(shù)模型，旨在對開洞K形節(jié)點(diǎn)的極限承載力進(jìn)行初步探究，以便設(shè)計(jì)人員在實(shí)際工程中進(jìn)行合理應(yīng)用。

2 研究機(jī)理

1)受力原理。圓柱開洞后由于自身缺陷引起二次的受力作用，造成其自身的極限承載力降低［6］。K形相貫節(jié)點(diǎn)主管邊線為一條閉合圓曲線，在受軸向力后，主管將會產(chǎn)生壓縮或拉伸變形。而在左右兩支管與主管焊接內(nèi)部同時開洞，使其在受力情況下，由于二階效應(yīng)作用的放大，導(dǎo)致主管兩側(cè)的管壁更容易發(fā)生屈曲，致使節(jié)點(diǎn)極限承載力降低，同時節(jié)點(diǎn)的最大變形也就發(fā)生在開洞邊緣。2)節(jié)點(diǎn)極限承載力判定。查閱相關(guān)文獻(xiàn)［1，7］，得出采用ANSYS軟件對鋼管K形節(jié)點(diǎn)進(jìn)行非線性分析時的極限承載力的判定準(zhǔn)則為:當(dāng)主管節(jié)點(diǎn)的荷載—位移曲線在3%D(D為主管直徑)變形范圍內(nèi)出現(xiàn)極限荷載時，以該極限荷載作為節(jié)點(diǎn)極限承載力，如未出現(xiàn)極限荷載，則以變形達(dá)到3%D時的荷載作為節(jié)點(diǎn)極限承載力。

3 節(jié)點(diǎn)模型建立

3.1 模型相關(guān)參數(shù)

影響節(jié)點(diǎn)承載力的主要因素有［2，8］:主管徑厚比(D/T)，支管管徑與主管管徑的管徑比β，支管與主管的軸線夾θ等。為了便于有限元建模分析，本文在計(jì)算時，將相關(guān)參數(shù)取為固定值。僅考慮參數(shù)β和開洞率φ。其中開洞率φ定義為開洞直徑與支管直徑之比，開洞洞口圓心與支管圓心在支管軸線上重合。

K形節(jié)點(diǎn)的主管直徑和壁厚D=300 mm，T=10 mm，長度L=2 200 mm，支管壁厚t=10 mm，支管長度l=1 000 mm，支管與主管的軸線夾角 θ為 45°。參數(shù) β =0.4，0.5，0.6 即除支管直徑不同，其余的幾何參數(shù)相同。同一模型的左右兩支管的開洞率相同，且可依次取為 φ =0，0.25，0.5，0.75。

模型材質(zhì)為Q345鋼材，屈服強(qiáng)度fy=345 MPa，極限強(qiáng)度fu=420 MPa，抗拉、抗壓和抗彎的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=305 MPa，彈性模量E=206 GPa，泊松比v=0.3。考慮材質(zhì)非線性，材料為理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系，屈服準(zhǔn)則為馮米塞斯準(zhǔn)則，強(qiáng)化準(zhǔn)則為多線性隨動強(qiáng)化模型。為便于受力分析，主管和支管的單元類型均取為4節(jié)點(diǎn)Shell181單元。該單元為六自由度有限應(yīng)變殼單元，具有彈性、塑性、蠕變、大變形、大應(yīng)變等特性［9］，細(xì)分其單元網(wǎng)格后，可有效滿足相貫節(jié)點(diǎn)的承載力研究。節(jié)點(diǎn)區(qū)域?yàn)槭芰γ舾袇^(qū)域，同時殼單元為面單元，因此在滿足計(jì)算精度的同時可采用單元尺寸較小的四邊形來劃分。

3.2 邊界條件和加載方式

為保證鋼管的受力為軸心受力，K形節(jié)點(diǎn)主管的左端做成固定約束，右端為滑動支座，兩支管為鉸支座，這樣能夠允許各管發(fā)生軸向位移的同時也固定了其他方向的轉(zhuǎn)動。支管采用荷載子步的加載方式進(jìn)行逐步加載，兩支管同時加上一壓一拉的軸向力，其中軸心受壓表示為Nc，軸心受拉表示為Nt。具體加載方式和邊界條件見圖1。按照上述各條件建立的有限元模型圖見圖2。

圖1 K形節(jié)點(diǎn)的邊界條件和加載方式

圖2K形節(jié)點(diǎn)有限元模型

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 有限元值和《鋼規(guī)》［10］計(jì)算值對照

按照《鋼規(guī)》規(guī)定，根據(jù)文中K形相貫節(jié)點(diǎn)的幾何參數(shù)，求出其極限承載力值。并與用ANSYS求出的模擬值相比較，將得出的結(jié)果列在表1中。

表1 相貫節(jié)點(diǎn)的極限承載力對比

對比之后表明有限元分析結(jié)果和理論值比較吻合，同時根據(jù)ANSYS建造的模型后處理分析驗(yàn)證了極限判定準(zhǔn)則的準(zhǔn)確性，因此可供下一步研究之用。

4.2 開洞率對節(jié)點(diǎn)極限承載力變化影響

圖3 β=0.4極限承載力和開洞率的變化曲線

圖4 β=0.5極限承載力和開洞率變化曲線

通過參數(shù)β=0.4來建立開洞率不同的有限元模型加載求解，根據(jù)極限判定準(zhǔn)則確定出各個模型的極限承載力。將各個模型的極限承載力和開洞率數(shù)據(jù)匯總見圖3，得到其極限承載力和開洞率的變化關(guān)系曲線。根據(jù)參數(shù)β=0.5以及β=0.6，建立不同開洞大小的有限元模型，按照上述方法將數(shù)據(jù)匯總?cè)鐖D4，圖5所示，即得到極限承載力和開洞率的變化關(guān)系曲線。

圖5 β=0.6極限承載力和開洞率變化曲線

5 結(jié)語

通過上述分析，得出K形節(jié)點(diǎn)的有關(guān)結(jié)論如下:

1)當(dāng)其他參數(shù)固定時，當(dāng)β=0.4時，在開洞率φ=0.5的情況下，節(jié)點(diǎn)極限承載力大小并未發(fā)生明顯的下降;當(dāng)β=0.5時，在開洞率φ=0.5的情況下，節(jié)點(diǎn)極限承載力未發(fā)生明顯下降;在β=0.6時，在開洞率φ=0.5的情況下，節(jié)點(diǎn)極限承載力未發(fā)生明顯下降。因此可以在工程實(shí)際應(yīng)用中可參考采用開洞率φ=0.5，以滿足鋼柱內(nèi)的管線、水管等隱蔽埋設(shè)要求。

2)由于論文對節(jié)點(diǎn)極限承載力的影響參數(shù)并未均取變量來進(jìn)行詳細(xì)研究，因此可以對有些變量進(jìn)一步的研究發(fā)掘，以求將來在節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用設(shè)計(jì)中取得更為理想的效果。