矩形鋼管桁架KT 型加強節(jié)點有限元對比分析

熊　健　甘梅蓉　羅軍俊

（武漢理工大學土木工程與建筑學院，湖北武漢　430070）

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矩形鋼管桁架KT 型加強節(jié)點有限元對比分析

熊健甘梅蓉羅軍俊

（武漢理工大學土木工程與建筑學院，湖北武漢430070）

摘要：結(jié)合工程實例，利用有限元方法，從破壞模式、塑性發(fā)展狀況、極限承載力等方面，對內(nèi)加勁加強節(jié)點和未加勁節(jié)點進行對比分析，結(jié)果表明內(nèi)加勁加強方式能夠明顯提高節(jié)點的承載力和剛度，滿足實際工程需要。

關(guān)鍵詞：KT型節(jié)點，加勁板，有限元分析

0　引言

鋼管結(jié)構(gòu)是一種由管狀截面構(gòu)件連接而成的鋼結(jié)構(gòu)形式。近年來隨著鋼結(jié)構(gòu)的飛速發(fā)展，鋼管結(jié)構(gòu)因其具有良好的幾何特性、優(yōu)美的外觀，應(yīng)用十分廣泛。矩形鋼管桁架是鋼結(jié)構(gòu)中的一種重要形式，與圓形鋼管相比，矩形鋼管能夠提供更大的剛度，但其構(gòu)件具有明顯的極軸方向，導(dǎo)致矩形鋼管桁架施工工藝相對復(fù)雜，常用于某些大跨度人行天橋或工業(yè)廊道中。在矩形鋼管桁架節(jié)點區(qū)域，一般容易出現(xiàn)管壁的局部屈曲和開裂，然而節(jié)點外的桿件內(nèi)力相對較小，因此，綜合經(jīng)濟與安全考慮，通常僅針對節(jié)點區(qū)域進行強化處理即可。實際常用外套管或內(nèi)加勁板等措施進行強化。結(jié)合重慶港主城港區(qū)果園作業(yè)區(qū)廊道工程，利用有限元分析方法，對工程中使用的KT型節(jié)點進行加強處理，分為無加強、襯加勁板加強兩種方式進行。

1　工程概況

本工程為重慶港主城港區(qū)果園作業(yè)區(qū)廊道工程中的棧橋，主要結(jié)構(gòu)跨度為38. 5 m，結(jié)構(gòu)采用鋼管桁架結(jié)構(gòu)，如圖1所示。鋼管桁架的弦桿和腹桿均采用矩形鋼管。本文研究對象是其結(jié)構(gòu)中的過渡KT型節(jié)點，具體的連接形式如圖2所示。焊接采用全熔透坡口焊縫，桿件連接處做喇叭口過渡段，過渡段角度在20°～30°。

圖1　棧橋桁架立面圖

圖2　過渡KT型節(jié)點形式

2　有限元分析

本文選用ABAQUS有限元軟件分別對無加強節(jié)點和加勁板加強節(jié)點進行分析和計算。通常情況，ABAQUS中殼單元分別為常規(guī)殼單元和基于連續(xù)體的殼單元兩類。常規(guī)的殼單元通過對單元的平面尺寸、表面法相和初始曲率的定義來離散參考面。常規(guī)單元不能通過節(jié)點定義厚度，一般通過截面屬性定義殼的厚度。本文選取ABAQUS中的S4R殼單元。

2.1材料特性

過渡型KT節(jié)點交匯處的主管、中管、支桿均采用Q345B低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼。鋼材的應(yīng)力應(yīng)變曲線選擇如圖3所示。

1）彈性階段。如圖3所示第一段斜線，σ= Esε（σ≤fy）。2）強化階段。如圖3所示第二段斜線，σ=0. 01Esε（σ＞fy）。

2.2荷載及邊界條件

從空間鋼結(jié)構(gòu)分析軟件SAP2000中的模型中提取桿件軸力，選擇1. 2D + 1. 4L + 1. 3E荷載組合，左中右支桿的受力比例為3. 67∶-0. 95∶-2. 23。選擇如圖4所示邊界條件及加載方式。

圖3　高強鋼材應(yīng)力—應(yīng)變曲線

圖4　節(jié)點的邊界條件及加載方式圖

2.3有限元模型的建立

在有限元程序中建模之前，必須要確定主支管的長度和研究參數(shù)。據(jù)以往研究，主管長度l1與主管寬度b0的比值在6～12之間，主管長度對節(jié)點性能的影響很小，支管長度l2與支管寬度bi（i =1，2，3）的比值在6～10之間，支管長度對節(jié)點性能的影響可忽略不計。結(jié)合本文的研究需要，主支管長度分別取l1= 9b0，l2=8b2。節(jié)點幾何參數(shù)為：主管寬度b0= 350 mm，支管寬度bi= 350 mm（i = 1，2，3），過渡段長度L = 800 mm，過渡段角度α1= 30°，主管厚度t0=16 mm，支管厚度ti=8 mm（i =1，2，3），支管與主管夾角θ=40°。采用四邊形殼單元對模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分如圖5所示，圖6為加勁后節(jié)點內(nèi)部圖。

圖5　模型網(wǎng)格劃分

圖6　加勁后節(jié)點內(nèi)部圖

2.4分析結(jié)果

1）破壞模式的對比見圖7。

圖7a）為第二類未加勁典型節(jié)點在拉桿荷載為3 303 kN時的破壞形態(tài)，圖7b）為相同節(jié)點加勁后在拉桿荷載為4 044 kN時的破壞形態(tài)。對比后可以發(fā)現(xiàn)，兩者最終的破壞模式類似，都是以拉桿和過渡段都屈服為特點。但是所承受的荷載不同。除此之外，可以發(fā)現(xiàn)加勁后節(jié)點拉桿與過渡段相連處未發(fā)生明顯的變形，而未加勁節(jié)點在此處出現(xiàn)隆起，這足以說明加勁板對節(jié)點的變形起到約束作用，有效控制了節(jié)點的屈曲變形。

圖7　節(jié)點破壞模式的對比圖

2）節(jié)點塑性開展的對比見圖8。

圖8　第二類典型節(jié)點塑性開展的對比圖

圖8a）為拉桿荷載為1 651. 5 kN時，加勁前典型節(jié)點的V-Mises應(yīng)力云圖，此時未加勁節(jié)點已出現(xiàn)應(yīng)力集中，位于左側(cè)過渡段與弦桿相連處角點。圖8b）為拉桿荷載為1 468 kN時，加勁后典型節(jié)點的V-Mises應(yīng)力云圖，此時各桿件受力較為平均，未出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。圖8c），圖8d）分別為拉桿荷載為2 202 kN時，典型節(jié)點加勁前和加勁后的V-Mises應(yīng)力云圖，此時未加勁節(jié)點左側(cè)過渡段外表面部分單元已進入塑性，而加勁后節(jié)點僅在過渡段與弦桿相連處角點出現(xiàn)應(yīng)力集中。圖8e）為拉桿荷載3 033 kN時加勁前典型節(jié)點的V-Mises應(yīng)力云圖，此時未加勁節(jié)點左側(cè)拉桿和過渡段已經(jīng)完全進入塑性狀態(tài)，與之相連的弦桿上表面也有部分區(qū)域進入塑性狀態(tài)。圖8f）為拉桿荷載為2 936 kN時，典型節(jié)點加勁后的V-Mises應(yīng)力云圖，此時節(jié)點僅左側(cè)過渡段少數(shù)單元進入塑性。

3）節(jié)點極限承載力的對比。

圖9為典型節(jié)點加勁前和加勁后的荷載—位移曲線圖。從圖中可以看出，未加勁節(jié)點和加勁節(jié)點在彈性階段的曲線較為相近，但是加勁后節(jié)點的彈性階段較未加勁節(jié)點長，即加勁后節(jié)點較晚進入塑性狀態(tài)，并且進入塑性階段后的剛度較未加勁節(jié)點強。此外，由圖反映出加勁后節(jié)點的極限承載力為4 075. 5 kN，而未加勁節(jié)點的極限承載力為3 041 kN，加勁后極限承載力較加勁前提高了將近1. 34倍。

圖9　第二類典型節(jié)點加勁前后荷載—位移曲線圖

3　結(jié)語

本文對未加勁過渡KT型節(jié)點和加勁后過渡KT型節(jié)點采用有限元分析軟件ABAQUS進行數(shù)值模擬分析，根據(jù)所得結(jié)果對二者進行了破壞模式、塑性發(fā)展狀況以及極限承載力三方面深入對比，主要得到以下結(jié)論：

1）對比未加強和加強后節(jié)點的破壞模式，可以發(fā)現(xiàn)未加勁節(jié)點的破壞先由各桿件交匯處破壞發(fā)展到桿件的破壞，而加勁后的節(jié)點先由桿件破壞，然后蔓延至節(jié)點交匯處。加勁后的節(jié)點充分體現(xiàn)出“強節(jié)點，弱構(gòu)件”這一原則，對整體結(jié)構(gòu)抗震性能起到積極作用。

2）加勁后的節(jié)點強度和剛度明顯優(yōu)于未加勁節(jié)點。加勁后節(jié)點的極限承載力明顯高于未加勁節(jié)點，并有效的減少節(jié)點應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3）加勁板對桿件的變形起到一定的約束作用，有效控制了節(jié)點的屈曲變形。

參考文獻：

［1］李星榮.鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點設(shè)計手冊［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

［2］莊茁.基于ABAQUS的有限元分析和應(yīng)用［M］.北京：清華大學出版社，2009.

［3］舒興平，鄭伯興. KT型相貫節(jié)點極限承載力非線性有限元分析［J］.湖南大學學報，2006，12（6）：64-66.

The finite element analysis and comparison on rectangular steel tube truss type KT type strengthening node

Xiong Jian Gan Meirong Luo Junjun
（Civil Engineering and Architecture Institute，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China）

Abstract：Combining with the engineering example，using the finite element method，from the failure mode，plastic development situation，ultimate bearing capacity and other aspects compared and analyzed the domestic stiffening and strengthening node and not stiffening node，the results showed that the stiffening and strengthening way could obviously increase the bearing capacity and stiffness of node，met the needs of practical engineering.

Key words：KT type node，stiffening plate，finite element analysis

中圖分類號：TU311. 41

文獻標識碼：A

文章編號：1009-6825（2016）09-0052-02

收稿日期：2016-01-14

作者簡介：熊健（1991-），男，在讀碩士