某复杂空间相贯节点有限元分析

刘利文

(西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031)

目前国内外关于复杂空间相贯节点的研究较少，相关文献主要集中于平面K、T、X型，以及TT、KK型节点上[1]。我国现行GB 50017-2003《钢结构设计规范》[2]并没有明确给出受力性能复杂的空间相贯节点的计算方法。因此，目前对复杂空间相贯节点进行研究具有重要的理论和实际意义。近年来对于受力性能复杂的空间相贯节点的研究多采用试验或有限元分析的方法[3]。本文以某超高层建筑工程为背景，选取其钢桁架的关键空间相贯节点为研究对象，采用有限元方法对其设计承载力进行验算并找出节点的薄弱部位，同时提出提高节点承载性能的加劲措施并进行有限元验证分析。

1　计算模型

1.1　节点概况

如图1所示，本文研究的节点杆件较多，构造复杂，为提高节点的承载力，减少主管的变形，节点设置有插板。节点各杆件截面尺寸、插板厚度、分别见表1,节点采用Q345钢。

图1　节点三维示意

1.2　节点有限元模型建立

由于本文所研究的节点空间构造较为复杂，利用常规的AutoCAD软件建模较为困难，因此采用功能强大的三维建模软件Rhino建立其几何模型。根据圣维南原理，有限元模型中节点各杆件的长度取杆件直径的3～4倍。如图2所示，采用通用有限元软件ABAQUS建立本文节点的有限元模型，其中模型的单元选用SR4(四节点减缩积分壳单元)单元。该空间相贯节点十分复杂，为提高模型计算效率，并同时保证模型的计算精度，模型的网格划分应采用四边形单元为主的自由网格划分方法，并应对节点杆件相贯处的网格进行加密。

图2　节点有限元模型

杆件编号截面/mm杆件编号截面/mm1D406X285D406X162D377X186D325X103D406X287D245X84D406X288D377X189D600X301、3、4、7号杆的插板30 mm厚2号杆插板20 mm厚5、8号杆的插板18 mm厚6号杆的插板12 mm厚

节点模型采用Q345钢，屈服强度为310 MPa(部分截面厚度大于16 mm小于35 mm则屈服强度取295 MPa)，弹性模量2.06×105MPa，泊松比取0.3，材料本构采用理想弹塑性模型，服从von-Mises屈服准则。节点的加载及边界条件情况如图3所示，除加载端为自由端外其余杆端边界条件采用铰接。为模拟最不利荷载工况下节点实际受力情况，从该结构整体模型中提取节点加载端杆的轴力，并把该轴力作为外荷载施加在模型上(表2)。

图3　节点加载及边界条件示意

杆件编号轴力/kN 杆件编号轴力/kN428165573.56-16983042.59(顶部)-1519.5

1.3　节点有限元分析结果

节点的von-Mises应力云图见图4，由图可知4号、5号、8号杆与主管交汇处局部进入塑性，节点其它区域仍处于弹性状态，大部分杆件应力小于200 MPa，插板与节点交汇处有应力集中现象，4号插板局部高达295 MPa(已屈服)，其余大部分区域应力较小(小于120 MPa)。由图4可知节点整体变形较小，仅4号、5号、8号杆与主管交汇处主管局部区域变形较大，变形为0.7 mm，小于0.01d(约6 mm，d为杆件直径)的极限变形值[4]，说明主管虽然未破坏但是局部区域已进入塑性。根据图4可判断出4号、5号、8号杆与主杆交汇处的局部区域为节点的薄弱区。

图4　节点的von-Mises应力云图

1.4　节点加强方案

目前钢管节点加强主要有：在主管内部灌浆，增加主管壁厚、主管加套管、加垫板、主管内外设置肋环，及加节点板等方法[5]。

其中在主管外设置与支管相连的加劲板可以分散支管端传来的轴向荷载，减小相贯线处主管管壁荷载，达到提高节点承载力的目的[6]。

节点薄弱区在4号、5号、8号杆与主管相贯处区域。为提高节点承载性能，综合考虑施工便利性及经济性，节点采用增设加劲板的加强方案。并根据其变形特点分析可知，节点薄弱区主管管壁产生凹陷变形，其变形呈竖向分布,即该区域竖向刚度较弱，应给予加强。因此如图5所示增设加劲板(板厚30 mm)。其von-Mises应力云图见图6，可知在增加加劲板后其薄弱区应力下降到250 MPa，其承载力得到显著提高。

(a)加劲板位置　 (b)加劲板图5　节点加劲

图6　节点加强后的应力云图

2　结论

根据以上有限元分析可以得出以下结论和建议。

(1)有限元结果表明，在最不利工况下节点整体处于弹性状态，变形很小，仍有一定安全储备，满足设计要求。

(2)通过有限元分析可以直观的发现节点的薄弱区。在节点的薄弱区根据其受力特点合理的设置加劲板，可以有效的改善节点薄弱区的受力状况，提高其承载力。建议采用该方式来提高此类节点承载能力。

(3)本文有限元模型忽略了焊缝及残余应力的影响，有待日后进一步的研究。