桂浩宸

(遂寧東辰榮興國際學(xué)校, 四川遂寧 629000)

1 概 述

近年來，管桁架結(jié)構(gòu)在各類大型場館結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多，一般是以平面節(jié)點(diǎn)為主，而空間多維節(jié)點(diǎn)的較少。相比之下，空間多維節(jié)點(diǎn)連接方便，受空間限制較小，但其傳力特征不明確，設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。目前國內(nèi)外對于常規(guī)的K、T型常規(guī)桁架節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能，國內(nèi)外已經(jīng)取得了較多的研究，為實(shí)際工程具有指導(dǎo)意義[1]。但是，對于空間多維多向鋼桁架節(jié)點(diǎn)來說，節(jié)點(diǎn)的受力和構(gòu)造更為復(fù)雜，而且無嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范可依[2]。因此，目前對復(fù)雜的空間多維鋼管桁架節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究具有重要的理論和實(shí)際意義。近年來，對于空間多維多向鋼節(jié)點(diǎn)的研究多采用試驗(yàn)或有限元分析的方法[3]。本文以某天際別墅鋼結(jié)構(gòu)工程為背景，選取其轉(zhuǎn)換層鋼桁架的關(guān)鍵空間節(jié)點(diǎn)為研究對象，采用大型通用有限元程序ABAQUS對其設(shè)計(jì)承載力進(jìn)行驗(yàn)算并找出節(jié)點(diǎn)的薄弱部位，同時(shí)提出提高節(jié)點(diǎn)承載性能的加勁措施并進(jìn)行有限元驗(yàn)證分析。

2 計(jì)算模型

2.1 節(jié)點(diǎn)幾何參數(shù)

如圖1所示，本文研究的節(jié)點(diǎn)桿件較多，構(gòu)造復(fù)雜，為提高節(jié)點(diǎn)的承載力，減少主管的變形，節(jié)點(diǎn)設(shè)置有插板。節(jié)點(diǎn)各桿件截面尺寸、插板厚度見表1。

圖1 節(jié)點(diǎn)三維示意

表1 節(jié)點(diǎn)構(gòu)件尺寸

2.2 節(jié)點(diǎn)有限元模型建立

根據(jù)圣維南原理，為使桿端約束不影響桿中應(yīng)力分布，有限元模型中節(jié)點(diǎn)各桿的長度取桿件直徑的3～4倍。如圖2所示，采用ABAQUS建立節(jié)點(diǎn)的有限元模型，其中模型的單元選用SR4(四節(jié)點(diǎn)減縮積分殼單元)單元。該空間多維鋼管桁架節(jié)點(diǎn)幾何非常復(fù)雜，為降低網(wǎng)格劃分難度，保證計(jì)算效率和精度，模型采用以四邊形為主的自動(dòng)劃分方法，并在桿件會交處的進(jìn)行網(wǎng)格加密。

材料為Q345鋼，本構(gòu)為雙線性，彈性模量2.06×105MPa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度為310 MPa(部分桿截面厚度大于16 mm小于35 mm屈服強(qiáng)度取295 MPa)。節(jié)點(diǎn)的加載及邊界條件情況如圖3所示，約束邊界均為鉸接。

外加荷載為結(jié)構(gòu)整體模型在最不利荷載工況下對應(yīng)桿件的軸力，其值見表2。

2.3 節(jié)點(diǎn)有限元分析結(jié)果

圖4為節(jié)點(diǎn)的Von-Mises應(yīng)力云圖，由于插板與桿件交界處存在應(yīng)力集中，致使交界處應(yīng)力達(dá)到了295 MPa，進(jìn)入塑性。更為關(guān)鍵的是， 4、5和8號桿在主管上交匯處應(yīng)力超過了300 MPa，也進(jìn)入了塑性，而節(jié)點(diǎn)的其他部分應(yīng)力都小于200 MPa，還處于彈性階段，說明4、5和8號桿在主管上交匯處為節(jié)點(diǎn)的薄弱點(diǎn)。由圖4可知節(jié)點(diǎn)整體變形較小，僅薄弱部位的局部變形較大，變形值為0.7 mm，小于0.01 d(約6 mm，d為桿件直徑)的極限變形值[4]。

圖2 節(jié)點(diǎn)有限元模型

圖3 節(jié)點(diǎn)加載及邊界條件示意

表2 節(jié)點(diǎn)的加載軸力

圖4 節(jié)點(diǎn)的von-Mises應(yīng)力云圖

2.4 節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)方案

目前鋼管節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)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(shè)置肋環(huán)及加節(jié)點(diǎn)板等方法[5]。

其中在主管外設(shè)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(dá)到提高節(jié)點(diǎn)承載力的目的[6]。

為提高節(jié)點(diǎn)承載性能，綜合考慮施工便利性及經(jīng)濟(jì)性，采用增設(shè)加勁板的加強(qiáng)方案。并根據(jù)其變形特點(diǎn)分析可知，節(jié)點(diǎn)薄弱區(qū)主管管壁產(chǎn)生凹陷變形，其變形呈橫向分布,即該區(qū)域橫向剛度較弱，應(yīng)給予加強(qiáng)。因此如圖5所示增設(shè)橫向加勁板(板厚30 mm)。加強(qiáng)后的節(jié)點(diǎn)Von-Mises應(yīng)力云圖見圖6，可知在增加加勁板后其薄弱區(qū)應(yīng)力下降到200 MPa，其承載力得到顯著提高。

圖5 節(jié)點(diǎn)加勁

圖6 加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

根據(jù)以上有限元分析可以得出以下結(jié)論和建議。

(1)有限元結(jié)果表明，在最不利工況下，未加強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)整體上處于彈性階段，局部變形很小，具有一定的安全儲備，滿足規(guī)范的要求。

(2)利用有限元分析方法，復(fù)雜的空間多維鋼管桁架節(jié)點(diǎn)的薄弱部位可以很容易明確，也可以根據(jù)有限元的分析結(jié)果，選取合理的加強(qiáng)措施。

(3)根據(jù)薄弱部位的變性特征，合理地布置加勁措施，可以有效的改善節(jié)點(diǎn)薄弱區(qū)的受力狀況，提高其承載力。

(4)本文有限元模型邊界條件設(shè)置較為粗糙，忽略了焊縫及殘余應(yīng)力的影響，有待日后進(jìn)一步的研究。