空间KT型方管加强节点的承载力性能研究

空间KT型方管加强节点的承载力性能研究（精选2篇）

空间KT型方管加强节点的承载力性能研究 第1篇

空间KT型方管加强节点的承载力性能研究

通过有限元软件ANSYS对空间KT型方管相贯焊接加强节点轴力和弯矩作用下的极限承载力进行了数值模拟研究,采用的加强方式在主管内部设置纵向加劲肋.研究结果表明这种加强方式对于空间KT型节点的`单项承载力都有不同程度的提高作用,且提高幅度与几何参数有关.

作 者：孙犁 SUN Li  作者单位：洛阳工业高等专科学校,建筑工程系,河南,洛阳,471003 刊 名：世界地震工程  ISTIC PKU英文刊名：WORLD EARTHQUAKE ENGINEERING 年，卷(期)：2007 23(1) 分类号：P315 关键词：相贯节点   加劲肋   有限元   数值模拟  

空间KT型方管加强节点的承载力性能研究 第2篇

近几年来, 钢管相贯节点在体育场、火车站、机场航站楼等大跨度桁架结构中的应用日趋广泛, 而圆钢管更是由于其独特的优越性能被广泛应用于空间桁架结构中[2]、[3]。空间KX型圆钢管相贯节点由不在同一平面内的两个平面圆钢管相贯节点 (K、X) 组成, 是空间桁架节点中的一种基本形式, 一般出现在主次桁架相交或连接面外有支撑 (或系杆) 的节点部位 (图1) 。关于空间相贯节点, 由于交汇杆件较多、且支管空间位置复杂, 其力学性能的研究还远未成熟, 已有的研究成果较少。

空间KX型节点与平面K型节点相比在X平面内支杆有荷载的作用, 这里称为影响空间节点极限承载力的荷载效应[1]。目前, 对于空间KX型节点极限承载力的研究仅限于支腹杆轴力比在一定的比值之下[4]、[6]、[7], 而没有考虑不同的支腹杆轴力比, 即荷载效应对节点极限承载力的影响。故以下采用大型有限元分析软件ANSYS对空间KX型圆钢管相贯节点进行了广泛的数值计算, 总结了荷载效应影响下不同几何参数 (支弦杆管径比βx、支杆壁厚τx和横向夹角φi) 的节点破坏模式及其极限承载力的变化规律, 以供广大工程设计人员参考。

2 节点有限元模型的建立

2.1 节点模型的设计

空间KX型节点有四根杆件与一弦杆相交, 其中两根是其轴线与弦杆轴线同平面的腹杆, 另外两根是相交桁架的非贯通弦杆或支撑杆件 (或系杆) , 在此称之为支杆[5]、[8]。记支杆与弦杆桁架平面的夹角为1φ、φ2, 文中取。腹杆与弦杆夹角。弦杆外径为d、壁厚为t, 支腹杆外径为di、壁厚为ti。本文所分析的节点钢管规格均为实际工程中应用的, 其几何尺寸和参数分别见表1和图2[9]。

2.2 单元选取及材料属性

有限元分析采用ANSYS单元库中的四节点、弹塑性SHELL181单元, 该单元每个节点有6个自由度 (三个线自由度和三个转动自由度) 。节点材料采用Q345钢材, 泊松比υ取为0.3, 假定材料本构模型采用双线性强化模型, 服从Von-Mises屈服准则和随动强化法则, 切线模量ET取为1%E () 。计算过程中考虑了大挠度效应, 即几何非线性。

2.3 单元划分

单元划分时, 根据圣维南原理离相贯线较远的弦杆、腹杆和支杆管壁采用较粗一些的人工映射网格, 而相贯线附近的管壁采用自由网格划分, 节点模型的网格划分见图3。

2.4 边界条件及加载方式

弦杆一端按固定支座考虑, 另外一端为仅允许有沿弦杆轴线方向的位移;支腹杆端部边界为滑动铰支座, 仅约束其径向位移和环向位移。节点的边界条件及加载方式如图4所示。在单K平面内两根腹杆端部施加大小相等方向相反的反对称轴向荷载, 单X平面内支杆端部施加大小相等的对称轴向荷载。支腹杆和弦杆均由两相交杆件的根部开始外伸4倍的管直径, 以消除端部加载条件对节点区域的影响。

2.5 节点模型的验证

根据已有的公开发表的空间KX型节点试验结果[4], 表2列出了有限元分析模型确定的节点极限承载力与试验确定的极限承载力, 相对误差为 (有限元计算值-试验值) /试验值×100%。节点名尾注C者为支杆受压, T为支杆受拉。由误差分析可见, 有限元计算值与试验值较为接近, 因此本文建立的有限元模型能够较为准确的模拟节点的承载力, 并可以作为后续节点参数分析和极限承载力确定的基础。

3 空间KX节点的荷载效应

空间节点的荷载效应指各支腹杆荷载方向与荷载大小的变化对节点极限承载力的影响效应。对于空间KX型节点承载力的分析都是假定支杆与腹杆轴力在一定比例下进行的, 而实际工程当中, 两者的比例不是恒定不变的。因此, 本文重点分析支杆轴力与腹杆轴力在不同比值情况下的节点承载力[1]、[10]。见于在实际工程中, 节点X平面内的支杆一般不作为主要受力构件, 其所受轴力往往小于K平面内腹杆的轴力, 故取支杆与腹杆轴力比nXxKk=0 (支杆不受力) 、±0.1、±0.15、±0.2、±0.3、±0.4、±0.5。X平面内支杆受压为负, 受拉为正。

3.1 不同βx时节点的荷载效应

钢结构设计规范 (GB50017-2003) 适用的支主管外径比在0.2~1.0之间, 虽然文中分析的支弦杆外径比βx (0.3~0.64) 没有涵盖全部范围, 但其既能满足工程设计常用的管径比范围, 又能满足空间节点中支杆截面一般不超过腹杆截面的设计要求。图5显示了空间KX型节点的极限承载力随轴力比nXxKk变化的关系曲线, 其中NKXK为空间KX型节点中单K平面内受压腹杆的极限承载力。

从图5中可以看出, 几何参数βx不同时, 节点的极限承载力—轴力比关系曲线形状基本一致, 但支杆管径的变化对节点的承载力影响显著, 管径越小节点的承载力越低。荷载效应影响下空间KX型节点极限承载力的变化比较明显:当X平面支杆受压时, 随着X支杆轴力的增大, 节点的极限承载力略有提高, 且承载力最大值出现在nXK xk=-0.2~0之间, 在nXxKk超过-0.2以后, 节点的极限承载力大幅度下降。当X平面支杆受拉时, 随着X支杆轴力的增大, 节点的极限承载力随nxXKk的增大一直呈下降趋势, 且下将幅度越来越大。

3.2 不同τx时节点的荷载效应

钢结构设计规范 (GB50017-2003) 中规定支管的外径与壁厚之比不能超过60。虽然圆管结构防锈蚀性能较好, 壁厚可比普通型钢结构的厚度小, 但是, 为避免施工中不易施焊, 壁薄容易产生局部变形, 圆管结构的壁厚不得小于3mm。故在既能满足工程设计常用的支主管壁厚比范围, 又能满足空间节点中支杆壁厚τx一般不超过腹杆壁厚的设计要求下, 研究空间KX节点的承载力随支杆壁厚的变化规律。图6显示了空间KX型节点的极限承载力随轴力比nXxKk变化的关系曲线。

从图6中可以看出, 几何参数τx不同时, 在不同支腹杆轴力比下节点的承载力变化曲线基本吻合。这说明对于相同外径的支杆而言, 其壁厚的变化对节点极限承载力的影响不大。同样荷载效应对空间KX型节点极限承载力的影响显著。

3.3不同φi时节点的荷载效应

钢结构设计规范 (GB50017-2003) 中规定空间节点中主管平面与支管平面的横向夹角。故在其他几何参数相同的前提下, 研究空间KX节点的承载力随横向夹角φi的变化规律。图7显示了空间KX型节点的极限承载力随轴力比nXxKk变化的关系曲线。

从图7中可以看出, 几何参数φi不同时, 在不同支腹杆轴力比下节点的极限承载力变化曲线比较接近。这说明对于其他几何参数相同的计节点而言, 其横向夹角的变化对节点极限承载力的影响不大。同样是荷载效应对空间KX型节点极限承载力的影响较为显著。

4 节点的破坏模式

由于空间节点受力性能的复杂性, 文中分析的所有节点均为经常发生的破坏类型—弦杆管壁局部屈曲破坏模式, 即真正意义上的节点破坏。对于实际工程中空间KX节点的设计, 只要钢管规格取值合理, 往往发生弦杆管壁局部屈曲破坏。故针对此类破坏模式的破坏原因进行了进一步的分类, 通过对节点域塑性扩展和管壁变形的观察, 主要有以下三种类型:

(1) 轴力比nXK较小且为负时, 发生K平面内受压腹杆引起的弦杆管壁局部屈曲破坏, 如图8所示。此时, X平面内支杆的轴力较小, 在K平面腹杆的压力作用下弦杆管壁产生向内的凹陷。

(2) 轴力比nXK较大且为负时, 发生X平面内受压支杆引起的弦杆管壁局部屈曲破坏, 如图9所示。此时, X平面内支杆的轴力较大, 在X平面支杆的压力作用下弦杆管壁产生向内的凹陷。

(3) 当轴力比nXKxk为正时, 不论nXKxk大小均发生K平面内受压腹杆引起的弦杆管壁局部屈曲破坏, 如图10所示。此时, 由于X平面内支杆拉力对弦杆变形的助长作用, 同样在K平面腹杆的压力作用下弦杆管壁产生向内的凹陷。

5 结语

本文针对空间KX型圆钢管相贯节点进行了双重非线性有限元分析, 重点探讨了在不同几何参数 (βx、τx和φi) 下荷载效应对KX型节点极限承载力的影响及节点的破坏模式。数值分析的结果表明:

1) 针对三类几何参数的变化, 在荷载效应影响下空间KX型节点极限承载力的变化较为明显:当X平面支杆受压时, 随着X支杆轴力的增大, 节点的极限承载力略有提高, 且承载力最大值出现在nxk=-0.2~0之间, 在nxk超过-0.2以后, 节点的极限承载力下降明显。当X平面支杆受拉时, 随着X支杆轴力的增大, 节点的极限承载力随nxk的增大一直呈下降趋势, 且下将幅度越来越大。

2) 在同样的支腹杆轴力比nxk下:支杆管径的变化对节点的极限承载力有很大影响, 管径越小节点承载力越低, 且轴力比的影响越不利;而支杆壁厚与横向夹角的变化对节点的极限承载力基本没有影响。故在实际工程设计中需充分考虑X平面内支杆管径的变化, 不应使支腹杆截面相差过大。

3) 不同支腹杆轴力比下引起空间KX节点发生弦杆管壁局部屈曲破坏模式的原因主要有三种:nxk较小且为负时, 发生K平面内受压腹杆引起的弦杆管壁局部屈曲破坏;nxk较大且为负时, 发生X平面内受压支杆引起的弦杆管壁局部屈曲破坏;当轴力比nxk为正时, 不论nxk大小均发生K平面内受压腹杆引起的弦杆管壁局部屈曲破坏。

摘要：应用双重非线性有限元对荷载效应影响下的KX型圆钢管相贯节点进行了广泛的数值分析, 获得了荷载效应影响下节点的极限承载力与破坏模式。根据不同几何参数 (βx、τx和Φi) 对节点极限承载力的影响规律, 总结出在同样的支腹杆轴力比下, 支杆管径的变化对节点极限承载力的影响较大, 而支杆壁厚τx与横向夹角Φi的变化对节点的极限承载力基本没有影响。工程设计中空间KX型节点的支腹杆管径不应相差过大, 且在满足工艺要求的基础之上可选择相对较薄的支杆壁厚。

关键词：空间KX型圆钢管相贯节点,荷载效应,破坏模式,极限承载力

参考文献

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