復雜的空間多維鋼管桁架節點承載力分析

桂浩宸

(遂寧東辰榮興國際學校, 四川遂寧 629000)

1 概 述

近年來，管桁架結構在各類大型場館結構中應用較多，一般是以平面節點為主，而空間多維節點的較少。相比之下，空間多維節點連接方便，受空間限制較小，但其傳力特征不明確，設計較為復雜。目前國內外對于常規的K、T型常規桁架節點的力學性能，國內外已經取得了較多的研究，為實際工程具有指導意義[1]。但是，對于空間多維多向鋼桁架節點來說，節點的受力和構造更為復雜，而且無嚴格的標準和規范可依[2]。因此，目前對復雜的空間多維鋼管桁架節點進行研究具有重要的理論和實際意義。近年來，對于空間多維多向鋼節點的研究多采用試驗或有限元分析的方法[3]。本文以某天際別墅鋼結構工程為背景，選取其轉換層鋼桁架的關鍵空間節點為研究對象，采用大型通用有限元程序ABAQUS對其設計承載力進行驗算并找出節點的薄弱部位，同時提出提高節點承載性能的加勁措施并進行有限元驗證分析。

2 計算模型

2.1 節點幾何參數

如圖1所示，本文研究的節點桿件較多，構造復雜，為提高節點的承載力，減少主管的變形，節點設置有插板。節點各桿件截面尺寸、插板厚度見表1。

圖1 節點三維示意

表1 節點構件尺寸

2.2 節點有限元模型建立

根據圣維南原理，為使桿端約束不影響桿中應力分布，有限元模型中節點各桿的長度取桿件直徑的3～4倍。如圖2所示，采用ABAQUS建立節點的有限元模型，其中模型的單元選用SR4(四節點減縮積分殼單元)單元。該空間多維鋼管桁架節點幾何非常復雜，為降低網格劃分難度，保證計算效率和精度，模型采用以四邊形為主的自動劃分方法，并在桿件會交處的進行網格加密。

材料為Q345鋼，本構為雙線性，彈性模量2.06×105MPa，泊松比0.3，屈服強度為310 MPa(部分桿截面厚度大于16 mm小于35 mm屈服強度取295 MPa)。節點的加載及邊界條件情況如圖3所示，約束邊界均為鉸接。

外加荷載為結構整體模型在最不利荷載工況下對應桿件的軸力，其值見表2。

2.3 節點有限元分析結果

圖4為節點的Von-Mises應力云圖，由于插板與桿件交界處存在應力集中，致使交界處應力達到了295 MPa，進入塑性。更為關鍵的是， 4、5和8號桿在主管上交匯處應力超過了300 MPa，也進入了塑性，而節點的其他部分應力都小于200 MPa，還處于彈性階段，說明4、5和8號桿在主管上交匯處為節點的薄弱點。由圖4可知節點整體變形較小，僅薄弱部位的局部變形較大，變形值為0.7 mm，小于0.01 d(約6 mm，d為桿件直徑)的極限變形值[4]。

圖2 節點有限元模型

圖3 節點加載及邊界條件示意

表2 節點的加載軸力

圖4 節點的von-Mises應力云圖

2.4 節點加強方案

目前鋼管節點加強主要有：在主管內部灌漿，增加主管壁厚、主管加套管、加墊板、主管內外設置肋環及加節點板等方法[5]。

其中在主管外設置與支管相連的加勁板可以分散支管端傳來的軸向荷載，減小相貫線處主管管壁荷載，達到提高節點承載力的目的[6]。

為提高節點承載性能，綜合考慮施工便利性及經濟性，采用增設加勁板的加強方案。并根據其變形特點分析可知，節點薄弱區主管管壁產生凹陷變形，其變形呈橫向分布,即該區域橫向剛度較弱，應給予加強。因此如圖5所示增設橫向加勁板(板厚30 mm)。加強后的節點Von-Mises應力云圖見圖6，可知在增加加勁板后其薄弱區應力下降到200 MPa，其承載力得到顯著提高。

圖5 節點加勁

圖6 加強節點的應力云圖

3 結論

根據以上有限元分析可以得出以下結論和建議。

(1)有限元結果表明，在最不利工況下，未加強的節點整體上處于彈性階段，局部變形很小，具有一定的安全儲備，滿足規范的要求。

(2)利用有限元分析方法，復雜的空間多維鋼管桁架節點的薄弱部位可以很容易明確，也可以根據有限元的分析結果，選取合理的加強措施。

(3)根據薄弱部位的變性特征，合理地布置加勁措施，可以有效的改善節點薄弱區的受力狀況，提高其承載力。

(4)本文有限元模型邊界條件設置較為粗糙，忽略了焊縫及殘余應力的影響，有待日后進一步的研究。