夏新強, 侯智超, 劉小蔚

(中國礦業(yè)大學 力學與建筑工程學院,江蘇 徐州 221116)

考慮焊縫尺寸的 T型相貫節(jié)點極限承載力計算

夏新強, 侯智超, 劉小蔚

(中國礦業(yè)大學 力學與建筑工程學院,江蘇 徐州 221116)

針對屈服線模型計算管結(jié)構(gòu)節(jié)點的極限承載力偏于保守的情況,考慮焊縫尺寸的影響,修正了 T型相貫節(jié)點極限承載力計算公式,并借助有限元軟件進行對比。結(jié)果表明,C IDECT公式計算結(jié)果偏于保守,修正公式計算結(jié)果與有限元計算結(jié)果吻合較好,修正公式合理。

T型節(jié)點;極限承載力;焊縫尺寸;屈服線模型

0 引 言

管截面在受壓、受扭及受彎情況下仍能表現(xiàn)出良好的結(jié)構(gòu)性能,因此,廣泛應用于房屋、橋梁及特種結(jié)構(gòu)等領域。管結(jié)構(gòu)節(jié)點強度是影響管截面性能的重要因素之一。20世紀 50年代以來,國內(nèi)外學者對管結(jié)構(gòu)節(jié)點的極限承載力計算問題進行了大量的研究工作,提出了多種設計公式及標準。丹麥研究者Johansen提出的屈服線破壞模型廣泛應用于主管表面塑性失效的方鋼管節(jié)點中[1]。由于研究者在簡化該模型時,往往忽略焊縫尺寸、圓角效應、局部應變硬化及張力場效應等因素的影響,致使公式的計算結(jié)果偏于保守[2-4]。為解決這一問題,筆者考慮焊縫的尺寸效應,修正了常見的 T型方鋼管節(jié)點極限承載力計算公式,并借助有限元軟件進行對比。

1 修正公式

圖1為 T型方鋼管相貫節(jié)點的外形尺寸。為方便研究,采用較為簡化的屈服線模型,如圖 2所示。

根據(jù)屈服線方法原理,支管軸向荷載F1對于位移δ所做的外力功與具有塑性線長度li和轉(zhuǎn)角 φi的塑性鉸系統(tǒng)的內(nèi)能相等,即

式中:Mp——截面單位長度上的塑性極限彎矩;

d0——主管厚度;

fy0——鋼材屈服強度。

已知主管寬度b0、支管寬度b1、焊縫的焊腳高度hf,令β=b1/b0,γ=b0/2d0,ω=2hf/b0,計算圖 2中各屈服線所消耗的內(nèi)能,結(jié)果如下:

屈服線1

2 有限元模型

根據(jù) GB/T 6728—2002,選取 6個 T型節(jié)點用于ANSYS有限元計算。節(jié)點截面尺寸及主要幾何參數(shù)見表 1,其中n為截面圓角的倒角系數(shù)。節(jié)點材料采用我國常用的Q345,其彈性模量為 210 GPa,泊松比為 0.3。假定其本構(gòu)關(guān)系為理想彈塑性并符合Von Mises屈服準則,且不考慮焊接殘余應力的影響。管件及焊縫均采用 Shell 181單元,建模時將殼單元的節(jié)點偏置到頂面,從而使焊縫殼單元更接近實際情況 (圖 3)。網(wǎng)格劃分的單元形狀為四邊形,考慮到相貫線附近區(qū)域的應力梯度較大,進行了較密的劃分(圖 4)。為了避免邊界條件影響節(jié)點性能,主管長度取主管寬度的 6倍,支管長度取支管寬度的 5倍[5-7]。計算模型中,主管管端除軸向自由度以外,其他所有自由度均施加約束,支管管端自由。

根據(jù)歐洲規(guī)范,角焊縫的焊腳高度hf必須滿足:當fy>345 MPa時,hf>1.05 t。根據(jù)我國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范,管結(jié)構(gòu)中角焊縫的焊腳尺寸hf不宜大于支管壁厚度的 2倍。綜合考慮,焊腳高度取支管壁厚度的1.5倍,焊縫殼單元的厚度取焊腳高度的 0.707倍。

3 結(jié)果分析

不同β值的方鋼管相貫節(jié)點在支管軸向力F作用下的荷載 -位移曲線如圖 5所示。從圖 5中可以看出,雖然節(jié)點產(chǎn)生了較大的凹陷變形,但由于主管張力場效應的影響,節(jié)點依舊可以承載,且承載力呈現(xiàn)緩慢增大的趨勢。以極限變形準則為極限承載力的判定準則,即主管表面凹陷值達到 0.03b0時的荷載為節(jié)點的極限承載力[8]。由圖 5也可見,隨著β值的增大,節(jié)點的極限承載力也在不斷增加,節(jié)點極限變形δmax為 9 mm。

圖 5 不同β對應的節(jié)點荷載 -位移曲線Fig.5 Load-displacement curves of joint under different values ofβ

圖 6給出了根據(jù)有限元模型、C IDECT(國際管結(jié)構(gòu)發(fā)展與研究委員會)設計指南和修正公式 (10)計算得到的節(jié)點極限承載力。

圖6 不同計算方法的節(jié)點極限承載力Fig.6 Ult imate capacity of jo ints calculated by differentmethods

從圖中可以看出,修正公式的計算結(jié)果與有限元計算結(jié)果的最大誤差為 5.9%,平均誤差為3.02%,兩者吻合較好;而 C IDECT設計指南計算結(jié)果與有限元計算結(jié)果偏差較大,最大誤差達到19.8%,平均誤差為 13.7%,C IDECT設計指南給出的設計公式偏于保守。由此可見,考慮焊縫尺寸影響的修正公式能夠較為合理的估算 T型相貫節(jié)點的靜力極限承載力。

4 結(jié)束語

為解決屈服線模型計算管結(jié)構(gòu)節(jié)點的極限承載力偏于保守的問題,筆者考慮焊縫尺寸的影響,修正了 T型相貫節(jié)點極限承載力的計算公式。對比結(jié)果顯示,采用修正公式計算的極限承載力比 CIDECT公式計算的更接近有限元計算結(jié)果。C IDECT計算結(jié)果偏于保守,而考慮焊縫尺寸影響的修正公式可合理估算 T型相貫節(jié)點的極限承載力。該研究可為管結(jié)構(gòu)節(jié)點極限承載力計算方法的深入研究提供參考。

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Calculation of ult imate capacity of RHS-connection of T-joints considering weld d imension

XIA X inqiang,HOU Zhichao,LIU Xiaowei
(School ofMechanics&Civil Engineering,China University ofMining&Technology,Xuzhou 221116,China)

A imed at an alternative to the yield line modelmore likely to give a conservative calculation of ultimate bearing capacity of pipe structure joints,this paper discusses the modification of the calculation formula of ultimate capacity of T-joints,as dictated by the consideration of the influence of weld dimension,and the use of the finite element software for comparison.The results show that C I DECT formula tends to give a more conservative calculation while FEM gives the calculated values closer to the values derived from the modified formula,and the modified formula proves reasonable.

T-joints;ultimate capacity;d imension ofweld;yield line model

TU392.3

A

1671-0118(2011)02-0153-04

2011-01-17

夏新強(1986-),男,江蘇省徐州人,碩士,研究方向:鋼結(jié)構(gòu),E-mail:xiaxqiang@126.com。

(編輯荀海鑫)