提要本文应用材料非线性和几何非线性有限元方法,对弦杆有轴压作用下直接焊接K形、 KK形间隙方圆管节点的静力性能进行了系统的分析。建立典型节点并通过对其受力全过程的分析掌握了K形和 KK形方圆管节点的变形模式、应力分布状况及塑性区分布规律等特性,得到了一些有助于结构设计的结论。
关键词 方圆管节点 K形节点 KK形节点 极限承载力
1前言
安全、美观和经济的特点使空心管结构在建筑工程中应用日益广泛[1],对称闭口的截面形式和较大的截面惯性半径使其在抵抗压、弯、扭方面均具有优越的性能,另外管结构光滑的外表面可以更好的抵抗风、水、波载的作用[2]。
在众多的管节点形式中,由圆管支杆和方管弦杆组成的方圆管节点表现出一些优良的特性,如加工成本低、不易发生应力集中、抗疲劳性能好等,然而目前对这种节点的研究仍未成熟,尤其是对方圆相贯空间节点的研究,国内尚属空白。这已经限制了此类节点的推广和应用,因此本文应用有限元方法对弦杆有轴压作用的K形和KK形间隙方圆管节点的静力性能进行了分析,通过对模型的变形模式进行研究,得到了这些节点的失效模式、应力的分布及塑性发展过程等影响静力性能的规律。
2有限元分析
2.1建模与加载
本文根据工程中常用的尺寸建立了K形节点基本模型[3]:弦杆截面为□100×3mm、支杆截面为○40×2mm,支弦杆夹角θi=45°,间隙宽度g=30mm,弹性模量E=2.06×105N/mm2,泊松比υ=0.3,钢材屈服强度fy=345MPa,轴压系数n=0.4,不考虑支、弦杆连接处焊缝影响,忽略弦杆方管的内外圆角,计算简图;典型KK形节点取支杆平面间夹角φ=90°,其它参数与K形节点相同,
为实现所示的K形节点计算简图,首先在每个支杆端部加封一块厚而刚的端板,约束端板中线上(保持Y、Z坐标不变)7个点的X、Y、Z轴方向的位移,然后在弦杆两端施加轴向荷载至一定值,最后沿弦杆轴向(Z轴方向)在其右端部施加均布力,同时约束
端部周边节点的X、Y向位移,KK形节点有限元模型的建立方法与平面节点类似,可由K形节点的一部分镜像生成。边界条件也基本相同,考虑到节点的空间变形,支杆端板上只约束中心点的X、Y、Z轴方向的位移,加载方法与K形节点相同,
2.2分析方法
选用四结点弹塑性壳单元对节点进行分析,考虑几何非线性和材料非线性,材料的本构关系采用理想弹塑性模型,对其进行大应变分析。网格划分时采用了多密度结合的方法,即在受力情况复杂的支、弦杆交汇处进行较细密的网格划分,单元边长为3~10mm,而在距此位置较远处将网格逐渐变得稀疏。选用稀疏矩阵直接求解器,并通过Newton-Raphson平衡迭代方法结合弧长法来帮助稳定求解。
3节点受力性能分析
4结论
节点通常在支杆趾部附近的弦杆壁面首先出现屈服点并向周围发展,最后发生弦杆表面塑性失效,多数节点具有较强的塑性变形能力和较高的强度储备。
参考文献
1.J.A.Packer,J.E.Henderson,J.J.Cao.空心管结构连接设计指南.科学出版社,1997
2.武振宇.直接焊接钢管节点静力工作性能的研究.哈尔滨建筑大学工学博士学位论文.
3.刘冲.直接焊接K形、KK形间隙方圆管节点静力性能的研究.哈尔滨工业大学.