環口板加強T型管節點抗沖擊性能分析

王 忠 陽

(1.煙臺大學土木工程學院，山東 煙臺 264000； 2.煙臺萬科企業股份有限公司，山東 煙臺 264000)

1 概述

節點作為鋼結構建筑的連接和傳力構件，對鋼結構的整體性和穩定性至關重要，而且在使用時受力情況非常復雜[1]。節點遭受到破壞將會直接導致與之相連的桿件和節點出現受力不均勻和整體不穩定的情況，在這種狀況下的結構很有可能局部坍塌和整體垮塌，因此在結構研究的文獻中對節點的設計和使用是非常關鍵的一部分[2]。本文研究為平面相貫環口板加強T型鋼管節點。

2 有限元模型

2.1 模型選取

在本次模擬中荷載主要分為沖擊荷載、軸力荷載、自身重力以及邊界條件，沖擊荷載是通過對錘施加速度產生沖擊，軸力荷載是通過位移加載彈簧作用于主管截面產生，自身重力是通過對模型直接賦予重力[3]，節點受力如圖1所示。

2.2 邊界條件

本次模擬的邊界條件依據試驗具體情況進行了簡化，邊界條件的約束設置在初始步。在主管一端的邊界條件放開水平約束，讓其產生水平滑動[4]。另一端約束住所有自由度，完全固接。

2.3 分析步設置和界面接觸

ABAQUS對節點的研究有兩種分析方法，分為隱式分析和顯示分析，隱式分析主要用于靜態分析[5]。顯示分析通常適用于動態分析，本文所研究的錘頭沖擊T型節點的時間是非常短暫的，因此采用顯示分析。在本次建模過程界面處理中采取兩種接觸類型：第一種為通用接觸——綁定，另一種為合并。在端板與支管頂端，環口板與支主管之間連接方式采用綁定接觸[6]。支管與主管之間的焊接采用合并處理，在沖擊過程中為了防止沖擊錘撞入支管，法向采用“硬接觸”，因為垂直接觸面相互作用時產生的壓力可以完全傳遞，當接觸面分開時，產生的壓力又完全消失；切向采用“罰函數”，切向接觸是利用庫侖摩擦模型模擬接觸面之間產生的滑動摩擦[7]。

3 參數分析

運用有限元軟件對環口板加強T型節點進行建模，并對主管的徑厚比γ、支管與主管的直徑比β、環口板長度與支管直徑比ah對節點的位移影響規律作出分析[8]。

3.1 α對節點變形的影響

圖2給出了α對位移的影響關系曲線。從圖2中可以看出管頂位移與主管的長徑比α大致呈線性關系，支管位移隨著α的增大而增大。在不同參數情況下，α值的增大使得節點的剛度減小，強度降低導致主管和環口板的凹陷量增大。

3.2 γ對節點變形的影響

圖3給出了γ對位移影響關系曲線，從圖3中可以看出隨著γ的增大位移迅速下降，但是兩者基本呈線性關系。在不同參數情況下，增大γ值使得節點的抗彎剛度增大，因此隨著γ值的增大位移開始下降。

3.3 β對節點變形的影響

圖4給出了β對T型管節點支管管頂位移影響關系曲線。從圖4中可以看出隨著支管與主管的直徑比β增大位移逐漸下降，且位移與β大致呈線性關系。在不同參數情況下，增大β可提高節點剛度，降低節點變形。

3.4 ah對節點變形的影響

圖5給出了ah對位移的影響關系曲線，從圖5中可以看出隨著ah的增大位移開始逐漸下降，且位移與ah大致呈線性關系。在不同參數情況下，增大ah的值會使得節點剛度增大，環口板的加強效果增強，所以隨著環口板長度的增大支管管頂位移會開始減小。

3.5 M對節點變形的影響

圖6給出了M對位移的影響關系曲線。從圖6可以看出隨著錘質量M的增大位移迅速上升，且位移與M大致呈線性關系。在參數不同的情況下，增大錘的質量即增大沖擊能，使得在沖擊過程中T節點和環口板需要消耗更多的沖擊能量，因此隨著錘質量M的增大，T節點支管管頂位移會逐漸上升。

4 T型節點變形的公式推導與驗證

在公式推導中因為需要把參數進行無量綱化，本文根據文獻[9]中對錘頭質量M無量綱化的形式，公式如式(1)所示：

λ=106Mv2L/(4σyD2T2)

(1)

其中，M為錘頭質量，kg;v為錘頭速度，m/s；L為主管跨度，m；σy為鋼材屈服強度,MPa;D為主管直徑,mm;T為主管壁厚,mm。

上節分析了各個參數對環口板加強T型管節點支管管頂位移的影響大致呈線性關系，因此對節點管頂位移公式擬合時可采用線性公式，如式(2)所示：

w/lh=a1a+a2β+a3ah+aλ+a5

(2)

w/D=a1a+a2β+a3ah+a4λ+a5

(3)

w/T=a1a+a2β+a3ah+a4λ+a5

(4)

其中，lh為環口板的長度;D為主管的直徑;T為主管的壁厚;w為模擬中支管管頂的最終位移。

將有限元軟件ABAQUS運算的數據以及預測的公式形式導入1stOpt[10]，得到主管凹陷變形與各個參數之間的關系式：

w/lh=0.829a-0.367β+0.758ah+1.289λ+1.792,R2=0.97

(5)

w/D=0.004 6a-0.001 3β+0.008 6ah+
0.002 4λ+0.062,R2=0.96

(6)

w/T=-1.563a+0.693β+
0.149ah+0.201λ-1.242,R2=0.94

(7)

式(5)表示為位移與環口板長度比值與各參數之間的關系，相關系數的平方為0.97。式(6)表示位移與主管直徑比值與各參數之間的關系，相關系數為0.96。式(7)表示位移與主管壁厚比值與各參數之間的關系，相關系數為0.94。為了驗證公式在計算上的誤差大小，本文采取文獻[11]中的公式對計算結果進行誤差分析：

(8)

(9)

(10)

(11)

根據以上公式對T節點支管管頂最終位移與各個參數的比值計算結果進行了驗證，得到位移與環口板長度比值計算公式的e，s*，s分別為0.14%，0.21%，0.09%，位移與主管直徑比值計算公式的e，s*，s分別為0.34%，0.51%，0.08%，位移與主管壁厚比值計算公式的e，s*，s分別是0.42%，0.67%，0.17%。得知位移與環口板長度計算公式的平均差、標準差、標準差的平均差偏小，準確性相對于其他參數較高，因此選擇式(5)作為節點支管管頂位移與參數之間的關系式。

5 結語

本文對環口板T型節點的抗沖擊承載力性能進行了分析，通過有限元軟件分別對主管的徑厚比γ、支管與主管的直徑比β、環口板長度與支管直徑比ah、沖擊錘的質量M、鋼管的屈服強度σy對節點的位移影響規律作出了曲線，參數與節點位移大致呈線性相關關系，最后用公式擬合軟件對節點的位移進行了公式擬合，最終得到環口板長度與支管管頂位移比與各個參數之間的關系式，并最終對公式進行了驗證，公式具有可靠性。