不同加勁板布置下T型方鋼管節點內力分析

牛宇辰（同濟大學建筑工程系，上海200092）

不同加勁板布置下T型方鋼管節點內力分析

牛宇辰
（同濟大學建筑工程系，上海200092）

該文基于ABAQUS有限元軟件對T型方管節點的無加勁肋板、縱向加勁肋板、橫向加勁肋板三種節點形式的彈性模型下力學行為進行數值分析，結果表明橫向加勁肋板可以使節點應力集中現象得到有效緩解。此外該文采用理想彈塑性模型對節點進行比較，發現與彈性分析結果相差較大。與規范設計承載力相比，彈塑性模型通過位移控制得到的極限承載力存在一定的冗余。

T型方管節點；加勁板；彈塑性模型；應力集中

0 引言

近年來，T型方鋼管節點憑借著形式簡單、施工方便等優勢得到廣泛應用[1-2]。與此同時，為緩解節點處的應力集中現象，實際工程中通常采取加勁措施[3]。實際上，加勁板的布置形式對節點的內力分布有著重要影響[4]。本文通過對某工程中T型方鋼管節點在不同加勁板布置形式下分別進行內力分析，為節點設計提供參考依據。

1 建模說明

T型方管節點參數：主管截面為300mm×10mm，長度2000mm，兩端鉸接。支管截面180mm×8mm，長度為700mm，端部作用均勻軸拉力。支管與主管連接處，截面采用四邊角焊縫，有限元分析可視為與主管完全連接，即為不布置加勁板的構造（a）。另兩種構造采用一塊加勁鋼板連接，加勁板截面為290mm×10mm，高度為180mm。分別采用加勁板縱向布置（b）、加勁板橫向布置（c）兩種方式連接。加勁板與主管、支管相接處均采用雙面角焊縫連接，可視為與相連管的板件完全連接，支管端部軸拉力為900kN。采用彈性分析，計算上述3種連接構造下的管內應力。

利用ABAQUS通用有限元軟件建立節點模型（圖1），單元類型采用三維實體單元，材料采用Q345鋼材，彈性模量210000MPa，泊松比0.3，二階彈塑性分析時采用理想彈塑性模型；非線性分析采用N-R法，初始迭代步長0.01，迭代步數200；網格劃分非加密區劃分尺寸20，加密區（主管與支管相交處）劃分尺寸8。

圖1 節點模型

2 三種構造節點的彈性分析

2.1 有限元模型分析

分別對三種構造節點進行理想彈性分析，建立相關幾何模型和有限元模型，進行幾何非線性分析，計算結果如圖2所示。

圖2 彈性分析節點應力云圖

計算可知，節點構造對局部應力分布存在較大影響。

（1）構造（a）在單向拉伸軸力作用下，支管與主管相連部位平行于主管方向的兩道焊縫存在較大的應力集中現象，特別在角點處的集中尤為明顯，最大應力可達10140MPa。

（2）通過加勁肋板構造可使應力集中現象得到有效緩解，構造（b）在單向拉伸作用下，應力集中得到一定緩解，應力云圖有擴散效應，最大應力達到9670MPa，相對無加勁肋板構造最大應力降低4.6%，但由于加勁肋板方向與應力集中區相平行，對應力集中的緩解作用有限，因此降低幅度不明顯，在實際設計中應注重加勁肋板方向，提高其效果。

（3）構造（c）在單向拉伸作用下，應力集中區域有較大變化，加勁肋板方向垂直于原應力集中區，使應力集中范圍有了明顯擴散，最大應力值大幅下降至4154MPa，相對無加勁肋板構造降低59.0%，可見加勁肋板效果相當顯著，其有效地將應力集中區域擴散開來，降低了此節點的應力集中系數，通過加勁肋板構造使節點最大應力值下降達到良好效果。

2.2 理論驗算

為驗證有限元模型建模、分析的合理性，進行簡單的理論驗算，采用線彈性計算分析，可將整個節點模型簡化為：支管為軸心受拉構件，主管為簡支梁構件。

計算其桿件受力情況，可知當支管受900kN的軸心拉力時，主管中點受彎最大，為450kN·m，分別計算其最大應力：

支管最大應力：

由上式分析可知，支管軸心受拉，應力相對平均，最大應力163.5MPa，主管受彎，其最大受力位于中點處，分析其邊緣受力，最大應力438.1MPa，與應力云圖相比較，不考慮其應力集中區域，則支管應力值與計算相吻合，同時應力分布較為均一，主管應力值在下邊緣與計算相吻合，上邊緣由于應力集中暫不比較，應力分布亦較為合理，與鋼管理論分析中塑性鉸線理論相吻合，故認為有限元模型、計算均為合理。

3 節點彈塑性分析

基于彈性材料的分析結果，模型最大應力值可以無限增長，往往會超越鋼材的屈服強度值，如采用不同構造節點（a）（b）（c），最大應力值分別為10140MPa、9670MPa、4154MPa，超過Q345鋼材的屈服強度29.4、28.0、12.0倍，明顯與實際情況不符。因此，在材料模型中應使用彈塑性模型，該例為簡化計算應用理想彈塑性模型分析比較，即設鋼材為理想彈塑性體，屈服點為345MPa，比較不布置加勁板的構造（a）以及加勁板橫向布置的構造（c）這兩種節點形式的計算結果，如圖3所示。

圖3 彈塑性分析節點應力云圖

計算可知，對材料模型進行修改后（從理想彈性模型更改為理想彈塑性模型），節點受力有了較大變化，特別是最大應力有所改變，（a）型節點、（c）型節點的最大應力值分別變為：817.0MPa、822.1MPa。

輸出（c）型節點的彈性分析結果與彈塑性分析結果的力-位移曲線，如圖4所示。在彈性區域，兩種模型都保持在彈性階段，力-位移曲線保持線性增長（忽略此時較小的幾何非線性影響）；在彈塑性區域，即部分區域應力值達到規定的屈服強度345MPa時，彈性模型仍然保持線性增長，彈塑性模型可以通過應力重分布進行調整，繼續承載，直至達到規定荷載值900kN。

圖4 （c）型節點的彈性、彈塑性力-位移曲線圖

根據管節點破壞準則，當有明顯屈服點時，采用極限荷載破壞準則，以極限荷載作為極限承載力；當無明顯屈服點時，采用極限變形準則，通過限制變形來確定其極限承載力；當有試驗對照時，采用可見裂紋準則，即出現可見宏觀裂紋時確定其為極限承載力。

如上所述，本文所述節點無極限荷載點亦無法通過宏觀裂紋確定其極限荷載值，故根據其極限變形（3%D）來確定其極限荷載值，取頂點位移為9mm時對應荷載為節點極限承載力，則（a）型節點、（c）型節點對應的極限荷載值分別為：349.6kN、487.3kN。

根據規范所列公式，對Q345鋼材制作的T型鋼管節點極限承載力設計值進行驗算，如下所示：

即規范所得極限承載力設計值為260.4kN，有限元模型分析無加勁肋板、有加勁肋板構造的極限承載力是規范設計值的1.34～1.87倍。分析其原因，一是規范所規定的設計值考慮了安全系數的影響，因此相對有限元模型的極限承載力而言有安全冗余；二是規范考慮節點應始終保持在彈性范圍，塑性變形應有所控制，因此僅考慮彈性極限狀態，而有限元模型所對應位移9mm已進入塑性階段，因此其值相對規范設計值為大。

4 總結

基于ABAQUS通用有限元軟件對工程中某T型方管節點在無加勁肋板、縱向加勁肋板、橫向加勁肋板三種形式下的彈性模型以及理想彈塑性模型進行了分析比較，可知：

（1）在彈性模型下，縱向加勁肋板對節點性能的影響較小，而橫向加勁肋板可以使節點應力集中現象得到有效緩解，因此在工程實際中優先考慮采用橫向加勁板布置；

（2）在理想彈塑性模型下，無加勁肋板模型彈塑性分析極限承載力較小，與規范設計承載力相比較，彈塑性模型通過位移控制得到的極限承載力存在1.34～1.87倍的安全冗余，符合工程實際要求。

[1]沈祖炎，陳揚驥，陳以一.鋼結構基本原理[M].北京：中國建筑工業出版社，2000：108.

[2]中華人民共和國建設部.GB50017-2003鋼結構設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[3]王偉，陳以一，趙憲忠.鋼管節點性能化設計的研究現狀與關鍵問題[J].土木工程學報，2007，40（11）：1-8.

[4]武振宇，張耀春.直接焊接T型鋼管節點性能的試驗研究[J].鋼結構：1992（2）：36-40.

責任編輯:孫蘇，李紅

Analysis on Mechanical Behavior of T-shaped Square Tubular Joints Reinforced by Different Kinds of Stiffener Plates

This paper performs a numerical analysis on the mechanical behavior of T-shaped square tubular joints models reinforced by no stiffener plate, longitudinal and transverse ones with ABAQUS finite element software,and the results show that the transverse stiffener plate can effectively ease stress concentration.In addition,an ideal elastic-plastic model is adapted to compare the joints,and considerable differences are found.Compared with bearing capacity under normal design codes,the ultimate bearing capacity of the elastic-plastic model obtained by displacement control has certain redundancy.

squared tubular T-joints;stiffener plate;elastic-plastic model;stress concentration

TU323.3

A

1671-9107（2017）05-0058-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2017.05.058

2017-02-21

牛宇辰（1992-），男，安徽合肥人，研究生，主要從事混凝土結構耐久性方向研究。