矩形管插接節點抗彎剛度研究

【摘要】采用理想的插接節點模型，建立不同長度插芯的有限元模型，以貫通模型為參考，研究構件在純彎狀態下荷載與變形關系。分析發現當外加彎矩小于50%的節點屈服彎矩時，荷載與變形近似線性關系，之后呈現非線性。研究結果表明：插接節點的抗彎剛度小于貫通桿件，但隨著插接長度的增加，節點的抗彎剛度弱化程度降低。當插接長度Lp=1.5D時，在屈服彎矩作用下插接節點內外管之間出現分離現象。

【關鍵詞】插接節點；有限元分析；抗彎剛度；插接長度；摩擦接觸

插接節點是指采用長度較短、截面形狀與主管截面形狀相同的輔管通過套插形式連接兩段主管的一種節點型式。插接節點有兩種形式，即外包套管節點和內插套管節點[1]。實際工程中，考慮到兩種連接形式在受力特性上基本相同，因內插套管節點在外觀上可隱藏連接，達到美觀的效果而被較多采用。故本文僅以內插套管的插接節點作為研究對象。

插接節點通常用于受彎構件的連接或固定，即主管的彎矩和剪力通過與輔管接觸部位的接觸力傳遞給輔管，從而達到傳遞荷載的目的。主管承受的軸壓力由主管之間的接觸面或主管與支座之間的接觸面直接傳遞。

插接節點中內外管間通過螺栓連接，由螺栓提供預緊力保證內外管接觸，產生摩擦力提供節點的承載受力。梁柱連接節點的轉動剛度為梁端彎矩與梁柱相對轉角（弧度）的比值[2]，在純彎作用下可忽略螺栓的作用[3]。

在工程實際中，鋼管在套管壓力作用下管壁的局部屈曲和的制造誤差等因素會造成接觸區域不明確，插接節點的材料、荷載、邊界條件和其它因素會直接影響內外管間的接觸狀態，無法通過數值計算方法精確模擬節點的實際情況。然而由于鋼材具有彈塑性，插接節點內外管的初始接觸狀態對節點的整體性能影響并不大，只要保證插接套管的加工精度，節點在彎矩作用下甚至可以忽略初始缺陷[4]。所以本文采用理想節點模型，對插接節點進行修改有限元計算分析。首先假定插接節點域內外鋼管之間完全緊密接觸，并且初始狀態下應力為0。這種理想假定模型忽略了問題的次要矛盾，方便研究節點變形情況和受力機理。

本文采用有限元分析計算軟件ANSYS，對插接節點的抗彎剛度進行分析，通過改變插接節點中插芯的插接長度，來討論插接長度對插接節點抗彎剛度的影響。

1 、計算模型的建立

使用ANSYS的Workbench界面，相比于常用的classical經典界面，其可視化操作及荷載、接觸等的設置都較為方便，對于本文涉及到的問題可以很好的實現有限元模擬。

1.1 幾何模型

如圖1所示，上下方形鋼管截面尺寸為200mm×200mm×10mm，長度為2000mm，插接處存在20mm的間隙；內插套管為長寬180mm的方形鋼管，其長度為插接長度2Lp與外管間隙20mm之和，Lp與外管邊長D的比值分別為1.1、1.3、1.5和1.7，計算研究不同插接長度對插接節點變形的變形的影響。為了比較分析理想插接節點與貫通鋼管節點之間的關系，同時計算貫通管在相同荷載下的變形。

1.2 單元和材料

單元類型采用Workbench默認的高階實體單元soild186。solid186單元通過20個節點來定義，每個節點有3個平動自由度，分別沿xyz方向。solid186具有空間各向異性，超彈性，單元支持塑性，應力鋼化，蠕變，大應變和大變形能力。

插接內外方形鋼管材料均為Q345鋼材，材料本構關系采用雙線性隨動強化模型模擬，簡化為理想彈塑性，詳細參數見表1。

1.3 約束和加載

約束插接節點外方管底部截面的三方向位移，在頂部施加單方向彎矩，計算研究插接節點在純彎荷載作用下的彎曲變形，即通過節點模型頂端的側移y與節點長度l的比值y/l（相對轉角）來描述。外加彎矩M根據節點屈服彎矩My分不同的比例加載，研究插接長度與荷載大小的關系。節點屈服彎矩My=Wyfy，其中Wy為計算截面繞y軸的彈性抗彎模量，fy為鋼材的屈服強度，即345MPa。

1.4 接觸方式

Workbench中共有5種接觸類型，其中有摩擦接觸、粗糙接觸和無摩擦接觸這三種接觸可允許接觸面之間發生分離，為非線性接觸。本文插接節點接觸類型采用有摩擦接觸，根據參考文獻[5]計算。由于摩擦系數對插接節點的彎曲變形影響并不明顯，因此按《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）中關于高強度螺栓摩擦型計算方法中連接面抗滑移系數μ的取值，對采用鋼絲刷清除浮銹或未經處理的干凈軋制表面，取摩擦系數為0.35。

2 、插接長度對節點抗彎剛度的影響

插接長度的大小直接影響著內外管間的接觸面積，在荷載作用下內外管間通過接觸面互相傳遞內力，達到共同抵抗外荷載的能力，即表現為抗彎剛度的大小。圖2為插接節點在純彎作用下不同插接長度對變形的影響，其中貫通是理想連續節點，作為插接節點剛度的比較參考。

在相同的外加彎矩作用下，插接節點的相對轉角要大于貫通桿件，這說明插接節點的抗彎剛度要小于相同截面的連續桿件。隨著插接長度的增加，插接節點的抗彎剛度逐漸增大，但其對抗彎剛度的影響程度逐漸減小。另外從上表還可以看出，外加荷載的大小也與插接長度對節點抗彎剛度的影響程度有關，當外加彎矩M取值以節點屈服彎矩的50%時為界，當小于50%時M/My與相對轉角基本上呈線性關系，當大于50%時則出現不同程度的非線性關系。觀察計算結果，發現其主要是因為插接節點的內外管出現屈服的現象，如圖3，為插接長度Lp=1.5D時，屈服彎矩作用下插接節點的應力分布云圖。觀察也可證實本次模擬中使用的接觸達到了預期效果，內外管間出現分離現象。

結論：

插接節點的抗彎剛度比貫通桿件小，但隨著插接長度的增加，插接節點的抗彎剛度弱化程度呈現降低趨勢。在實際工程中插接長度可按Lp=1.5D取值，即可滿足插接節點的使用需要。

參考文獻：

[1]張鳳杰，劉旭.考慮接觸影響時鋼管結構套管插接節點承載力的數值分析[J].中國農業大學學報，2007，12（5）：91-96.

[2]程顯鋒.半剛性節點的轉動剛度及其影響[J].山西建筑，2009，35（23）：48-50.

[3]羅烈，高雙喜.插接式單管塔整體變形的有限元分析、簡化計算及試驗對比[J].結構工程師，2009，25（3）：34-39.

[4]羅烈，盧玲.單管鋼塔理想插接節點的抗彎剛度研究[J].特種結構，2009，26（2）：31-35.

[5] 羅烈，涂望龍.單管塔插接連接節點抗彎剛度的試驗研究[J].建筑結構，2013，43（S1）：431-435.

作者簡介：

高永剛，上海泰大建筑科技有限公司。