焦晉峰，馬 霄，雷宏剛，張建麗

(太原理工大學 建筑與土木工程學院，山西 太原030024)

0 前 言

焊接鋼管相貫節(jié)點具有外形獨到、構造簡捷以及承載能力良好等特點，近年來被廣泛應用到工業(yè)廠房、機場航站樓、火車站、展覽館等建筑結構形式當中［1-7］。隨著建筑結構外形立面多樣化，結構的節(jié)點型式和受力變得更加復雜，而目前國內外學者對于焊接鋼管相貫節(jié)點的研究，主要集中在已有的固定簡單形式和單一截面，如常見N 型、K 型、X 型、T 型、KK 型等［8］，且試驗研究以縮尺節(jié)點為主，大尺寸足尺節(jié)點的研究較少［9-12］。目前《鋼結構設計規(guī)范》僅對X、T、K、KK 型等常用的相貫節(jié)點提供了理論承載力計算公式，對空間焊接鋼管相貫節(jié)點并未進行詳細的規(guī)定，因此對類似的空間焊接相貫節(jié)點的研究具有重要的理論和實際意義［9］。本文以山西省太原南站為工程背景，選取其屋蓋結構——傘形空間鋼桁架下弦節(jié)點為研究對象，采用通用有限元軟件ABAQUS 進行理論分析，研究在空間多向軸向加載作用下節(jié)點的應力分布規(guī)律和破壞模式，并對比同一節(jié)點型式在不同加勁肋構造情況下的受力性能，進而優(yōu)化加勁肋的構造形式。

1 工程背景

太原南站屋蓋結構由平面投影尺寸為36 m×42.8 m 的傘狀結構單元組合而成。屋蓋單元的主要受力結構由兩榀變截面主桁架與X 形鋼柱(見圖1)構成，桁架方向與X 形鋼柱的肢方向相同。主桁架下弦與X 形柱剛接連接，次桁架與主桁架相連構成相互支撐的穩(wěn)定結構體系，在桁架上、下弦平面內設置鋼次梁以支承屋面板及吊頂(兼作鋼桁架的側向支撐)，因此屋架主桁架和次桁架相交處的節(jié)點桿件多且受力復雜。

圖1 傘形空間鋼結構桁架和選取節(jié)點位置示意Fig.1 Schematic diagram of umbrella-shaped space steel truss structure and location of the joint

2 有限元建模

2.1 幾何模型

本文所選節(jié)點為太原南站傘形空間鋼桁架結構中下弦節(jié)點——具有代表性的9 根焊接鋼管相貫而成的8#節(jié)點，該節(jié)點主管尺寸大，且節(jié)點各桿件截面形式不一，主管為矩形管，支管分別為兩根圓管和六根矩形管，節(jié)點各桿件截面規(guī)格見表1 所示。該節(jié)點計算模型采用:主管(G1B)一端固定、另一端(G1A)沿Y 向約束，其余支管桿端均為自由端，通過桿件端部實施軸向加載(見圖2，圖中所示載荷為1.0 倍設計載荷)。

圖2 節(jié)點計算模型和桿件加載示意圖Fig.2 Schematic diagram of model of joint and bar loading

表1 8#節(jié)點桿件截面規(guī)格及長度統(tǒng)計表Tab.1 Statistical table of Section size and length of bar in the joint mm

為了研究焊接鋼管相貫節(jié)點在最不利工況載荷作用下不同加勁構造措施對節(jié)點承載能力的影響，優(yōu)化并確定合理的加勁肋形式。本文針對該節(jié)點支管與主管相貫區(qū)域內，選用三種加勁構造措施，分別為節(jié)點構造A 型(無任何加勁肋);節(jié)點構造B 型(井字形加勁肋(見圖3a));節(jié)點構造C 型(橫隔板+縱向加勁肋(見圖3b))。

圖3 節(jié)點構造B、C 型示意圖Fig.3 Schematic diagram of joint structure of type B、C

2.2 有限元模型

本文采用通用有限元軟件ABAQUS 進行建模分析，所選單元類型為S4R(四節(jié)點殼單元減縮積分);鋼材采用Q235C 和Q345C 兩種，彈性模量E為2.06×1011Pa，泊松比μ 為0.3，材料本構關系均采用三折線彈塑性模型(見圖4);分析步按照設計工況載荷添加，加載示意圖(見圖2);為保證節(jié)點單元網格劃分質量和計算結果精度，同時考慮到計算成本，因此在節(jié)點整體布置種子的基礎上，支管與主管交匯區(qū)域將網格種子加密布置，單元劃分以四邊形為主，采用自由網格劃分。

圖4 材料強度曲線Fig.4 Diagram of material strength

3 節(jié)點有限元分析

3.1 節(jié)點構造A 型

根據(jù)有限元分析所得的von Mises 應力云圖可知:①節(jié)點在0.2 倍設計荷載下，首先在受拉支管與主管交匯處的主管管壁開始屈服，此時荷載較小，主管1 216.9 kN，受拉支管381.3 kN(見圖5(a));②主管節(jié)點交匯處的塑性區(qū)隨著荷載的增加而逐漸擴大，尤以主管和受拉支管顯著，且各支管中圓管先于矩形管出現(xiàn)屈服;③荷載加至設計荷載的0.6 倍時，主管管壁出現(xiàn)明顯的凹陷、鼓曲變化，嚴重影響節(jié)點承載能力，繼而致使節(jié)點發(fā)生破壞(見圖5(b))。

圖5 節(jié)點構造A 型應力云圖Fig.5 Stress nephogram of joint structure of type A

3.2 節(jié)點構造B 型

根據(jù)有限元分析所得的von Mises 應力云圖可知:①在節(jié)點域設置加勁肋后，節(jié)點受力性能整體得到改善，節(jié)點塑性區(qū)域明顯減少，承載能力有顯著的提高，在0.7 倍設計荷載作用下，最先出現(xiàn)屈服為圓管相貫線最高點處(見圖6(a));②節(jié)點塑性區(qū)主要集中在主支管交匯處，方管尤以角點顯著，圓管塑性區(qū)表現(xiàn)在相貫線的最高點處(見圖6(b)中紅色區(qū)域);③主管管壁加勁肋不連續(xù)處為相對薄弱位置，易于出現(xiàn)屈服(見圖6(b)中紅色區(qū)域)。

圖6 節(jié)點構造B 型分析結果圖Fig.6 The result diagram of joint structure of type B

3.3 節(jié)點構造C 型

節(jié)點構造C 型基于節(jié)點構造B 型的基礎上，采用橫隔板+縱向加勁肋構造措施。由有限元分析所得的von Mises 應力云圖可知:①在節(jié)點域主管增設五塊橫隔板后，節(jié)點整體受力性能得到進一步改善，屈服區(qū)域減少，節(jié)點等效應力整體變小(見圖7(a));②相貫節(jié)點塑性區(qū)仍舊主要集中在主支管桿件交匯處，方管仍以角點位置顯著，圓管塑性區(qū)仍出現(xiàn)在相貫線的最高點處(見圖7(b)中紅色區(qū)域);③主管管壁加勁肋不連續(xù)處，在加載至1.3 倍設計荷載時仍未出現(xiàn)屈服(見圖7(b))。

圖7 節(jié)點構造C 型分析結果圖Fig.7 The result diagram of joint structure of type B

4 節(jié)點承載力對比分析

對比三種不同加勁肋形式下的節(jié)點分析可知:

①在節(jié)點構造A 型中，相貫節(jié)點屈服最早出現(xiàn)在主管與受拉支管交匯處的主管管壁，0.2 倍設計荷載為其臨界破壞荷載，且隨荷載持續(xù)增大主支管交匯處出現(xiàn)大面積的屈服(見圖8(a));而采取節(jié)點構造B 型后，節(jié)點整體屈服出現(xiàn)延遲，且首先出現(xiàn)在圓管相貫線最高點處;

②荷載加至1.0 倍設計荷載時，節(jié)點構造B 型主管管壁加勁肋不連續(xù)處開始出現(xiàn)屈服，且僅在主管施加軸力一側(見圖8(b));而節(jié)點構造C 型在1.4 倍設計荷載時在相同位置才開始出現(xiàn)屈服，且節(jié)點整體剛度和強度優(yōu)于節(jié)點加勁肋B 型(見圖8(c));

③節(jié)點構造C 型內橫隔板在加載至1.1 倍設計荷載出現(xiàn)屈服，隨荷載增加塑性區(qū)逐漸擴大(見圖8(d)紅色區(qū)域);

④節(jié)點構造B 型與節(jié)點構造C 型屈服模式大致相同，均在圓管相貫線最高點處開始出現(xiàn)屈服;以支管(桿件8)與主管相貫區(qū)域冠點為研究對象可知(見圖9)，在相同加載制度下，節(jié)點構造A 型不論在承載力還是變形方面，相對其余兩種構造措施，其數(shù)值均偏低;

同時節(jié)點構造C 型就節(jié)點承載力和抵抗變形能力方面均優(yōu)于節(jié)點構造B 型:當荷載加至2 倍設計荷載時，桿件8 的269 號有限元節(jié)點處，節(jié)點構造C 型的最大位移值是節(jié)點構造B 型最大位移值的0.15 倍，而相應的節(jié)點構造C 型的彈性極限承載力是節(jié)點構造B 型的1.33 倍。

圖8 各加勁肋措施下節(jié)點分析結果圖Fig.8 The result diagram of joint by different stiffener structure

圖9 桿件8－269 號節(jié)點處結果曲線Fig.9 The result curve about node 269 in branch pipe 8

5 結 語

根據(jù)上述分析，可得以下結論:

①焊接鋼管相貫節(jié)點在空間多向加載受力情況下，主支管桿件交匯處易出現(xiàn)屈服，降低節(jié)點承載能力，尤其以矩形管角點、圓管相貫線位置為最不利受力位置，且圓管先于矩形管屈服;

②節(jié)點構造C 型有效改善節(jié)點構造B 型中在主管管壁加勁肋不連續(xù)處的剛度不足，且延緩節(jié)點塑性區(qū)域的擴展;

③對焊接相貫節(jié)點而言，設置合理的節(jié)點構造措施可有效提高節(jié)點承載能力。就增強節(jié)點整體承載能力而言，節(jié)點構造C 型＞節(jié)點構造B 型＞節(jié)點構造A 型;但就加勁構造本身而言，在相同載荷工況作用下，節(jié)點構造B 型＞節(jié)點構造C 型＞節(jié)點構造A 型。結合工程實際，針對類似的相貫節(jié)點，建議選取節(jié)點構造C 型，并將節(jié)點中主管平面外變形為管壁厚的3%作為對應承載力極限狀態(tài)，同時設計時可根據(jù)實際情況適當加大縱向加勁肋厚度。

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