大直徑弦管KK 形相貫節(jié)點(diǎn)滯回性能的數(shù)值模擬

魯 哲 肖建春 王宏鑫

1 概述

在超大跨度管結(jié)構(gòu)中存在大直徑弦管相貫節(jié)點(diǎn)。KK節(jié)點(diǎn)作為空間大跨度管桁結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)之一，雖然現(xiàn)有許多課題對(duì)其進(jìn)行了研究[1-3]，我國(guó)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》也給出了其在軸力作用下的承載力近似計(jì)算公式[4]，但在抗震性能方面的研究卻比較少。

在抗震設(shè)計(jì)中要考慮節(jié)點(diǎn)的抗震耗能能力。一般節(jié)點(diǎn)的滯回性能都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法來(lái)完成的[5]。這里通過(guò)有限元方法，結(jié)合某一實(shí)際工程對(duì)大直徑弦管KK形相貫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行滯回性能分析。通過(guò)參數(shù)化分析，細(xì)致地考慮支管和弦管外徑比、弦管徑厚比、支弦管厚度比、支管與弦管夾角等參數(shù)的影響，為下一步的實(shí)驗(yàn)研究提供理論參考。

2 數(shù)值模擬

2.1 有限元模型

考慮節(jié)點(diǎn)幾何參數(shù)支管和弦管外徑比β、弦管徑厚比γ、支弦管厚度比τ、支管與弦管夾角θ1=θ2=θ。弦管影響系數(shù)α和支管長(zhǎng)度對(duì)分析有較大影響[1]。根據(jù)文獻(xiàn)[1]的研究，當(dāng)α=8時(shí)，節(jié)點(diǎn)末端對(duì)節(jié)點(diǎn)極限承載力的影響約為6%，當(dāng)α=14時(shí)，可以避免節(jié)點(diǎn)末端對(duì)極限承載力的影響;而支管的長(zhǎng)度在4倍支管外徑時(shí)，也可避免節(jié)點(diǎn)末端對(duì)節(jié)點(diǎn)極限承載力的影響。在節(jié)點(diǎn)模型選取時(shí)，取弦管長(zhǎng)度為所選桁架中的兩豎向腹桿的節(jié)間長(zhǎng)度(Δ=3000 mm)，保證α在12左右。支、腹管取弦管長(zhǎng)度的一半，約為支管外徑的6倍。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，弦管和支管均為圓管的直接焊接節(jié)點(diǎn)承載力，應(yīng)按下列規(guī)定計(jì)算，參數(shù)范圍為:0.2≤β≤1;di/ti≤60;d/t≤100;θ≥30°;60°≤φ≤120°。具體參數(shù)見(jiàn)圖 1。

基本模型參數(shù)取值如下:弦管的直徑為D=500 mm，長(zhǎng)度為L(zhǎng)=3000 mm，厚度為t=10 mm，四根支管采用同一尺寸，直徑為d=180 mm，長(zhǎng)度為l=1200 mm，厚度為t=6 mm，節(jié)點(diǎn)其他主要幾何參數(shù) β =0.36，γ =25，τ=0.6，θ1= θ2=45°，θ3=60°。

模型的邊界條件為弦管一端固結(jié)，另一端滑動(dòng)。支管僅允許其軸向發(fā)生位移，加載方式為在四支管施加逐級(jí)增加的低周往復(fù)位移，且保證同步、異向。在彈性階段采用荷載控制，分為四級(jí)，荷載值按25%遞增，每級(jí)只循環(huán)一次，而當(dāng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入塑性階段后，以最大的彈性位移作控制量，每級(jí)循環(huán)三次。為保證收斂與精度，每個(gè)增量步設(shè)置為20個(gè)子步，加載歷程如圖2所示。

圖1 分析參數(shù)

圖2 加載歷程

2.2 分析結(jié)果

1)支管和弦管外徑比β的影響。

其他條件不變，改變?chǔ)碌娜≈担玫焦?jié)點(diǎn)在β變化下的滯回性能(見(jiàn)圖3，圖4)。滯回曲線隨支弦管直徑比的增加而飽滿，耗能能力隨支弦管直徑比的增加而增加。

圖3 節(jié)點(diǎn)耗能受β的影響

圖4 節(jié)點(diǎn)骨架曲線受β的影響

2)弦管徑厚比γ的影響。

弦管徑厚比γ變化下的滯回性能見(jiàn)圖5，圖6。滯回曲線隨弦管徑厚比的減少而飽滿;節(jié)點(diǎn)的耗能能力隨弦管徑厚比的增加而降低。

圖5 節(jié)點(diǎn)耗能受γ的影響

圖6 節(jié)點(diǎn)骨架曲線受γ的影響

3)支、弦管厚度比τ的影響。

支、弦管厚度比τ變化下的滯回性能見(jiàn)圖7，圖8。滯回曲線隨支、弦管厚度比的增大而飽滿。節(jié)點(diǎn)的耗能能力隨支、弦管厚度比的增加而降低。

圖7 節(jié)點(diǎn)耗能受τ的影響

圖8 節(jié)點(diǎn)骨架曲線受τ的影響

圖9 節(jié)點(diǎn)耗能受θ的影響

圖10 節(jié)點(diǎn)骨架曲線受θ的影響

4)主、支管軸線間夾角θ的影響。

主、支管軸線間夾角θ變化下的滯回性能見(jiàn)圖9，圖10。滯回曲線隨主、支管軸線間夾角的減少而飽滿。節(jié)點(diǎn)的耗能能力隨主、支管軸線間夾角的增加而降低。

3 結(jié)語(yǔ)

采用有限元法研究了支管和弦管外徑比、弦管徑厚比、支管和弦管厚度比、支管與弦管夾角對(duì)KK管節(jié)點(diǎn)滯回曲線、骨架曲線以及耗能能力的影響。

KK管節(jié)點(diǎn)的滯回性能隨支管和弦管外徑比β的增大而增大，隨弦管徑厚比γ的增大而減小，隨支、弦管厚度之比τ的增大而增大，隨支、弦管軸線間夾角θ的增大而減小。支弦管外徑比β是決定極限承載力的決定性因素。

[1]陳以一，王 偉，趙憲忠，等.圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)抗彎剛度和承載力實(shí)驗(yàn)[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2001，22(6):25-30.

[2]Kurobane Y.Ultimate resistance of unstiffened tubular joints[J].Journal of Structural Engineering，ASCE，1984，106(2):65-76.

[3]Paul J C.Ultimate resistance of unstiffened multiplanar tubular TT and KK joints[J].Journal of Structural Engineering，ASCE，1994，120(10):156-175.

[4]GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]舒興平，朱邵寧，夏心紅，等.長(zhǎng)沙賀龍?bào)w育場(chǎng)鋼屋蓋圓管相貫節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2004，25(3):8-13.