K型鋼管節點的焊縫有限元模型建立

雷 婷 陳文杰

（1.寧夏大學新華學院， 寧夏 銀川 750021）

（2.寧夏中環綠色建筑規劃設計院有限公司， 寧夏 銀川 750004）

到目前為止，各國學者對鋼管直接相貫節點的研究也積累了一些豐富的成果。1948年西德對鋼管節點進行極限強度試驗，拉開了平面鋼管直接相貫節點的研究序幕。陳以一[1]對多種幾何參數、荷載工況組合下的相貫節點進行抗彎剛度試驗。Zhao進行了冷彎T型管節點軸向承載力試驗，在此過程中考慮了弦桿附加彎矩對極限承載力的影響，得到腹板失穩和弦桿表面屈曲兩種破壞類型。武振宇[2]對T型鋼管節點、T型主圓支方鋼管節點的軸向承載力進行了試驗研究。陳譽[3]以鋼管節點試件的試驗數據為基礎建立考慮焊縫的有限元數值模型，得到考慮焊縫建模會提高圓鋼管節點的極限承載力和剛度。童樂為、王斌等[4]對TT型、K型、KK型等管節點進行了試驗研究，在此過程中考慮了曲率對節點靜力性能的影響。目前，各國針對鋼管節點極限承載力的研究相對較多，但大多沒有考慮焊縫的影響。因此，在對鋼管直接相貫節點的有限元研究中，能將焊縫建模融入，不但具有創新意識，也能更好的為工程實際服務。

1 前人試驗數據

為驗證本文所建焊縫模型的準確性，選取文獻[3]中一部分試驗數據進行對比驗證。試驗數據如表1所示。

表1 文獻K型鋼管節點試件極限承載力值

2 建立有限元模型

節點單元的選取在有限元研究中至關重要，它直接關系到分析結果的精確性。結合前人的研究方法，本次數值模擬分析選用ANSYS有限元軟件單元類型庫中的三維四節點彈塑性殼單元Shell181。Shell181適用于大應變、大變形的非線性問題，單元有4個節點，每個節點有六個自由度：分別是節點坐標系的X、Y、Z三個方向的平動和繞X、Y、Z軸的轉動。

網格劃分時，采用自由網格劃分和映射網格劃分相結合的方法。因為弦桿和腹桿的交界處應力集中非常嚴重，在此運用自由網格劃分且網格劃分較密；在遠離相貫線處，采用映射網格劃分且劃分漸變稀疏。最后通過有限元軟件的誤差信息確定網格劃分是否滿足要求。

焊縫殼體建模，通過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行計算，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。焊縫強度采用和試驗相同的數值，并且焊縫模型不考慮殘余應力的不利影響。邊界條件、加載方式及極限承載力的確定均與文獻[3]相同。采用基于弧長控制的 Newton-Raphson方法求解，在出現負剛度時終止分析。

圖1 殼體焊縫模型

3 各試件結果對比

表2為考慮殼體焊縫建模的K型管節點相應文獻中的極限承載力值與本文有限元分析值，相對誤差=（有限元值-試驗值）/試驗值×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，殼體模型更接近實際也相對簡便。焊縫模型的建立使得節點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 節點極限承載力比較

4 結果

本文在前人試驗數據的基礎上通過建立考慮殼體焊縫的K型管節點有限元模型，主要得出以下結論：

通過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，殼體模型更接近實際也相對簡便。

本文所建模型具有較好的通用性，可運用于實際有限元數值模擬中。