雷 婷 陳文杰

（1.寧夏大學(xué)新華學(xué)院， 寧夏 銀川 750021）

（2.寧夏中環(huán)綠色建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司， 寧夏 銀川 750004）

到目前為止，各國(guó)學(xué)者對(duì)鋼管直接相貫節(jié)點(diǎn)的研究也積累了一些豐富的成果。1948年西德對(duì)鋼管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行極限強(qiáng)度試驗(yàn)，拉開了平面鋼管直接相貫節(jié)點(diǎn)的研究序幕。陳以一[1]對(duì)多種幾何參數(shù)、荷載工況組合下的相貫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行抗彎剛度試驗(yàn)。Zhao進(jìn)行了冷彎T型管節(jié)點(diǎn)軸向承載力試驗(yàn)，在此過(guò)程中考慮了弦桿附加彎矩對(duì)極限承載力的影響，得到腹板失穩(wěn)和弦桿表面屈曲兩種破壞類型。武振宇[2]對(duì)T型鋼管節(jié)點(diǎn)、T型主圓支方鋼管節(jié)點(diǎn)的軸向承載力進(jìn)行了試驗(yàn)研究。陳譽(yù)[3]以鋼管節(jié)點(diǎn)試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立考慮焊縫的有限元數(shù)值模型，得到考慮焊縫建模會(huì)提高圓鋼管節(jié)點(diǎn)的極限承載力和剛度。童樂(lè)為、王斌等[4]對(duì)TT型、K型、KK型等管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，在此過(guò)程中考慮了曲率對(duì)節(jié)點(diǎn)靜力性能的影響。目前，各國(guó)針對(duì)鋼管節(jié)點(diǎn)極限承載力的研究相對(duì)較多，但大多沒(méi)有考慮焊縫的影響。因此，在對(duì)鋼管直接相貫節(jié)點(diǎn)的有限元研究中，能將焊縫建模融入，不但具有創(chuàng)新意識(shí)，也能更好的為工程實(shí)際服務(wù)。

1 前人試驗(yàn)數(shù)據(jù)

為驗(yàn)證本文所建焊縫模型的準(zhǔn)確性，選取文獻(xiàn)[3]中一部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 文獻(xiàn)K型鋼管節(jié)點(diǎn)試件極限承載力值

2 建立有限元模型

節(jié)點(diǎn)單元的選取在有限元研究中至關(guān)重要，它直接關(guān)系到分析結(jié)果的精確性。結(jié)合前人的研究方法，本次數(shù)值模擬分析選用ANSYS有限元軟件單元類型庫(kù)中的三維四節(jié)點(diǎn)彈塑性殼單元Shell181。Shell181適用于大應(yīng)變、大變形的非線性問(wèn)題，單元有4個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有六個(gè)自由度：分別是節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系的X、Y、Z三個(gè)方向的平動(dòng)和繞X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。

網(wǎng)格劃分時(shí)，采用自由網(wǎng)格劃分和映射網(wǎng)格劃分相結(jié)合的方法。因?yàn)橄覘U和腹桿的交界處應(yīng)力集中非常嚴(yán)重，在此運(yùn)用自由網(wǎng)格劃分且網(wǎng)格劃分較密；在遠(yuǎn)離相貫線處，采用映射網(wǎng)格劃分且劃分漸變稀疏。最后通過(guò)有限元軟件的誤差信息確定網(wǎng)格劃分是否滿足要求。

焊縫殼體建模，通過(guò)在弦桿和腹桿的交界處增加一圈焊縫殼體單元，并且此焊縫殼體單元的厚度取為弦桿壁厚的一半來(lái)建立焊縫殼體有限元模型。按弦桿和腹桿的中面建立模型進(jìn)行計(jì)算，焊縫也采用殼體單元。如圖 1所示，焊縫單元寬度hw=t，焊縫單元高度hh=0.5T+t，焊縫殼體厚度取為0.5t。焊縫強(qiáng)度采用和試驗(yàn)相同的數(shù)值，并且焊縫模型不考慮殘余應(yīng)力的不利影響。邊界條件、加載方式及極限承載力的確定均與文獻(xiàn)[3]相同。采用基于弧長(zhǎng)控制的 Newton-Raphson方法求解，在出現(xiàn)負(fù)剛度時(shí)終止分析。

圖1 殼體焊縫模型

3 各試件結(jié)果對(duì)比

表2為考慮殼體焊縫建模的K型管節(jié)點(diǎn)相應(yīng)文獻(xiàn)中的極限承載力值與本文有限元分析值，相對(duì)誤差=（有限元值-試驗(yàn)值）/試驗(yàn)值×100%。從表中可以看出：SJ4、SJ5、SJ6、SJ7焊縫殼體有限元模型極限承載力分別為1135.53kN、921.86kN、931.79kN、953.92kN，誤差可以接受。表明：通過(guò)在弦桿和腹桿的交界處增加一圈焊縫殼體單元，并且此焊縫殼體單元的厚度取為弦桿壁厚的一半來(lái)建立焊縫殼體有限元模型能較好的模擬焊縫，殼體模型更接近實(shí)際也相對(duì)簡(jiǎn)便。焊縫模型的建立使得節(jié)點(diǎn)的極限承載力和剛度均有所提高，本文所建模型具有較好的通用性。

表2 節(jié)點(diǎn)極限承載力比較

4 結(jié)果

本文在前人試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上通過(guò)建立考慮殼體焊縫的K型管節(jié)點(diǎn)有限元模型，主要得出以下結(jié)論：

通過(guò)在弦桿和腹桿的交界處增加一圈焊縫殼體單元，并且此焊縫殼體單元的厚度取為弦桿壁厚的一半來(lái)建立焊縫殼體有限元模型能較好的模擬焊縫，殼體模型更接近實(shí)際也相對(duì)簡(jiǎn)便。

本文所建模型具有較好的通用性，可運(yùn)用于實(shí)際有限元數(shù)值模擬中。