超大型浮式網架結構節點的選型及有限元分析

高艷紅，劉文白（上海海事大學　海洋科學與工程學院，上海　201306）

超大型浮式網架結構節點的選型及有限元分析

高艷紅，劉文白
（上海海事大學海洋科學與工程學院，上海201306）

對各種節點類型的優缺點進行分析對比，選出最適宜浮式網架結構的節點型式為球節點，并運用ABAQUS有限元軟件對球節點的力學性能進行數值模擬分析，計算得出球節點的極限承載能力。作為實際工程運用的參考，設置加勁肋的用以提高球節點的力學性能。

浮式網架；節點；有限元分析；加勁肋

0　引言

當今世界空間與資源總儲量緊張情勢遠遠不能滿足當今經濟的飛速發展，因此海洋工程界開啟了一個新的研究領域，即超大型浮式結構的研究。其結構具有整體性好、工業化程度高、施工周期短、消波性好、受自然條件限制較小等優點［1］。針對新型海洋結構浮式網架的相關研究主要集中在整體結構選型及其穩定性分析。節點作為結構的關鍵受力與傳力構件，具有極復雜的受力環境與破壞型式，其力學性能對結構的整體性及穩定性有著至關重要的作用。

1　浮式結構節點選型

按照力學特性，節點可分為剛性連接節點、半剛性連接節點和鉸接連接節點；按照構造形式，節點具體可分為：螺栓球節點、焊接空心球節點、鋼管圓筒節點、焊接鋼板節點、鋼管鼓節點等。

節點交匯處都連接有數根桿件，受力復雜，確定節點類型需要滿足與計算假定相符、盡量避免偏心、具有足夠的強度等原則，結合各類型連接節點的受力狀況、制作工藝等特征，浮式網架結構連接節點形式選為焊接空心球節點。

2　空心球節點的有限元分析

2.1模型參數及材料屬性

表1　模型參數及材料屬

2.2有限元原理

進行數值模擬時，焊接空心球節點可看做很薄的殼體，進而選擇殼單元進行計算；同時也能夠看做是三維連續體，選用實體單元來進行有限元分析。唐海軍采用兩種單元對焊接空心球節點進行了分析比較，認為實體單元能夠更精確的反應節點在受荷過程中的變形和應力情況［2］。選用實體單元，考慮幾何非線性。大量研究表明，焊接球節點在軸向受拉時為強度破壞，軸向受壓時為彈塑性壓曲破壞，且單向受力與雙向受力時其破壞荷載接近［3］，因此，對球節點進行單向受力的數值模擬分析。

2.3有限元分析結果

通過ABAQUS軟件對球節點的分析，可得到：

（1）球節點周圍應力、應變分布均勻；

（2）桿件周圍應力、應變分布均勻；

（3）在焊趾處（即球節點與桿件的焊接處），應力稍有集中；

（4）由焊趾處至球節點中心平面，節點的應力值逐漸減小。

球節點極限承載能力：由對焊接空心球節點的有限元分析得到：空心球節點的受拉極限承載能力為1.18*108N，受壓極限承載能力為1.15*108N。因此，在條件相同情況下，球節點的受拉極限承載能力和受壓極限能力大體相當，稍大于受壓極限承載能力。

3　加勁肋的設置對節點性能的改善

浮式網架結構的球節點具有超大直徑，其本身對于結構整體又具有關鍵性作用，故需保證節點在設計荷載作用下的安全穩定性，如希望球節點具有更大的承載能力，設置加勁肋是最有效的措施之一［4］。故對節點設置加勁肋用以提高其承載能力。空心球的加勁肋類型主要采用環肋與實心圓肋，不同類型的肋又可布置成不同的形式，以肋的個數可分為單肋與雙肋兩種形式，一定數量的肋又可布置成不同角度。經過有限元分析，可得出同樣布置條件下：

（1）實心圓肋對節點力學性能的提高系數稍高于環肋；

（2）雙肋對節點性能的提高系數高于單肋；

（3）加勁肋對節點性能的提高系數隨肋面與荷載方向夾角的減小而增大；

4　結論

（1）結構節點形式選用焊接空心球節點，滿足力學特性、施工工藝等方面的要求；

（2）球節點在受力作用下應力、應變分布較為均勻，在焊趾處具有一定的應力集中現象；

（3）加勁肋對于空心球節點的力學性能具有明顯的改善作用，提高系數與加勁肋的布置型式及布置方式相關。在浮式網架結構中加勁肋的布置平面應盡量與合力處于同一方向，能夠有效地加勁肋的作用。

［1］Liu Wenbai，Su Kejia，Xi SshiLei.The selection and numerical simulation of marine engineering floating pier structure［J］.Advanced Materials Research Vols，2011，4705：243-249.

［2］唐海軍.軸力與彎矩共同作用下焊接空心球節點承載力與實用計算方法研究［D］.浙江，2005.

［3］唐波，余江滔，陸洲導，俞可權.加勁肋對焊接球節點力學性能影響的數值分析［J］.結構工程師，2011，27（01）：40-46.

［4］童樂為，顧敏，陳以一.具有內加勁肋的空間多支管的圓管節點性能研究［J］.建筑結構，2009，39（01）：69-72.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.238

高艷紅（1991-），河南濮陽人，碩士研究生，研究方向：超大型浮式網架結構節點的研究。