大型钢结构节点承载力的有限元分析.pdf

第5卷第3期 2013年6月 V 01．5 N o．3 Jun．2013 大 型 钢 结 构 节 点 承 载 力 的 有 限 元 分 析 沈国辉孙炳楠楼文娟陈震 浙江大学建筑工程学院，杭州310058 【摘要1采用有限元方法计算大型钢结构节点的承载力，针对带加劲肋和不带加劲勋的十字型钢管节点，给出有 限元方法的建模过程和建模方法，计算在支管轴向荷载作用下的承载力，并将有限元计算结果与足尺试验结果进 行比较。研究发现，在支管承压情况下有限元建模时可以对支管的模型进行简化；带加劲肋和不带加劲肋十字型 钢管节点的有限元分析结果与足尺试验结果比较吻合；有限元方法可以获得荷栽位移曲线的下降段。 【关键词】有限元；钢结构；节点；承栽力；足尺试验 【中图分类号】TU 312；TU 391【文献标识码】A【文章编号】16747461{2013 03-003205 1 前言 大型钢结构节点在土木构筑物如高层钢结构、 输电塔、电视塔等中得到广泛的应用，钢节点起到 杆件之间力传递的作用。如果钢节点由于超出了 承载力而产生破坏，会使得结构的传力路径中断或 改变，可能会导致结构整体承力体系的局部破坏和 整体破坏。获得大型钢结构节点的承载力以保证 结构设计的安全、经济、合理具有重要的意义。 钢结构节点承载力的获取途径通常为规范查 阅、理论推导、足尺试验和有限元计算。以往已有 一些相关的研究大型钢结构节点的承载力，Paul 等⋯在空间节点试件试验结果的基础上得出极限 承载力公式；M aki no等心1建立了圆钢管相贯节点试 验和有限元分析的数据库；K ang等”1对空间节点的 承载能力进行试验分析和理论研究；鲍侃袁等H 1对 带连接板K 型钢管节点进行足尺试验和理论推导； 邢丽等”1采用有限元和试验方法研究焊接球节点 的承载能力；刘红军∞1和白强“1等对环形加肋节点 进行弯矩作用下的承载力研究。规范查阅’91规范 查阅口。通常针对常见的节点；理论推导对于复杂的 钢结构节点存在着一定的困难；足尺试验虽然精度 高但代价巨大；相比而言，采用有限元方法既然较 好地获得大型钢结构节点的承载力，又具有很好的 经济性。 本文的研究对象为十字型的钢管节点，分为带 加劲肋和不带加劲肋两类形式，采用有限元方法分 析支管轴压情况下钢结构节点的承载力，给出有限 元方法的建模过程和建模方法，将有限元分析结果 与足尺试验结果进行比较以探讨有限元分析的准 确性，研究结果对类似节点的设计和承载力估计有 重要的参考价值。 2钢节点的有限元建模方法 带加劲肋和不带加劲肋的十字型钢管节点如图 1所示。采用A N SY S的空间8节点实体单元SO L- IIM 5进行计算，该单元每个节点有三个自由度，具有 考虑应力强化、大变形和大应变等能力。材料采用双 线性随动强化模型，强化模量取弹性模量的1／100。 钢管节点中，支管与主管通过连接板进行连 接，连接板之间采用高强螺栓进行固定。由于螺栓 和连接板之间是抗剪连接“引，如果完全考虑高强螺 栓的夹紧作用，需要在有限元中模拟出连接板之间 接触和螺栓的预紧力，这样可能会导致建模过程非 常复杂，也使得计算效率大大降低，因此须进行支 管部分的建模简化。图2a给出了有支管的节点 有限元模型，该模型完整地模拟了主管、支管、连接 板和螺栓，模拟连接板之间、螺栓孔壁和螺栓杆之 【基金项目】国家自然科学基金资助项目51178425 【作者简介】沈国辉1977一，男，博士，副教授。主要研究向结构风工程和结构计算分析。 大型钢结构节点承栽力的有限元分析 间的摩擦接触作用和螺栓杆内的预紧力，有支管模 型的总单元数为108695；图2b给出了无支管的 A RE AS TY PEN U M a有加劲肋节点 节点有限元模型，无支管的节点有限元模型总单元 数为56447。 咪AR篱320 -z【mVOL 。 UM ES 4 1019l【⋯⋯⋯ 图1 有无加劲肋节点的示意图 b无加劲肋节点 a有支管模型 b 无支管模型 图2有无支管情况下的有限元模型 a有支管模型 JA N142012 163959 N oD A LSoLLrnON STE p-- 1 SU B6 TI M E 1 SEQ V A V O D M X l93 图3设计荷载下应力云图对比 b 无支管模型 计算两个模型在支管轴向荷载作用下的响应， 计算发现两个模型得到在主管、环板和加劲肋上响 应几乎相同，图3给出了设计荷载下两个模型的应 力云图，结果比较接近。图4给出了支管在主管长 度内的荷载位移曲线，发现两条曲线几乎完全吻 合，说明有支管模型中，支管和螺栓主要起到荷载 传递的作用，对主管、环板和加劲肋上的受力影响 很小，因此在计算中采用无支管的有限元模型。 宽0．4m ，厚0．012m 。同时针对该节点进行承载力 的足尺试验，试验在浙江大学的电液伺服多功能试 验机Y AW 。10000F中进行，主管水平放置，沿支管方 向加轴向压力。 在图5中给出了有限元和足尺试验情况下荷载 位移曲线的比较，两种结果比较吻合。同时还可以 发现1在弹性阶段，有限元结果的刚度较试验值 略大，主要是由于有限元计算的模型过于理想，未 能充分考虑试验构件的材料特性以及制作上的误 差等；2在下降段两者出现的差异，主要是由于足 尺试验中下降段采用了位移控制的原则进行缓慢 加载，而在有限元中仍为荷载加载，会使得有限元 结果出现较高的峰值和陡峭的下降段。图6给出有 限元计算和足尺试验获得该节点的最终破坏形态， 可以发现两种方法获得的形态非常相似，总体均表 现为环板的面外失稳，失稳时最大位移出现的位置 也非常接近。 图4两类模型的荷载位移曲线 4 无加劲肋节点的有限元计算结果 3有加劲肋节点的有限元计算结果 对于某典型的十字型钢管节点进行分析，主管 管径0．63m ，壁厚0．014m ；支管管径0．377m ，壁厚 0．014m ；环板宽0．4m ，厚0．012m ；加劲肋高0．53m ， 对于某典型的无加劲肋节点进行计算分析，其 几何参数为主管管径630m m ，壁厚14m m ；环板宽 200m m ，厚12m m 。图7给出了有限元和足尺试验情 况下荷载位移曲线的比较，可以发现1足尺试验 和有限元计算的在弹性阶段非常吻合； 2有限元 计算得到的极限承载力比足尺试验高； 3有限元 a有限元ir 箅 图5有加劲肋节点的荷载位移曲线 大型钢结构节点承载力的有限元分析 35 2000 至1500 辎 糖 l ooO 图6有加劲肋节点的荷载位移曲线 a有限元计算 图7无加劲肋节点的荷载位移曲线 图8无加劲肋节点的最终破坏形态 计算能得到荷载位移曲线的下降段，但足尺试验由 于在构件已经失稳，没有进行后续的下降段试验。 图8给出有限元计算和足尺试验获得该节点的最终 破坏形态，可以发现两种方法获得的形态非常相 似，总体均表现为环板的面外失稳，失稳时最大位 移出现的位置也非常接近。 5结论 本文采用有限元方法研究大型钢结构节点的 承载力，得到以下结论 1在支管承压情况下，有限元建模时支管方 向的组成构件如支管、连接板和螺栓等主要起到荷 载传递的作用，对主管、环板和加劲肋上的受力影 响很小，因此在有限元建模时可以对支管的模型进 行简化； 2通过对有无加劲肋节点的有限元分析与足 尺试验结果的比较，发现在弹性段荷载位移曲线的 结果比较吻合，说明有限元模拟方法具有较高的准 确性。同时而有限元还可以获得荷载位移曲线的 下降段，而足尺试验由于试验技术的原因一般不能 得到下降段。 参考文献 『1]Paul JC ，M aki noY ，K urobaneY ．U l t i m at eresi stanceof unsti ff ened m ul ti pl anar tubularTrand KK-j oi nt s[J]． St ruct ural Engi neer i ng，A SCE，1994，12010 2853- 2870． [2] M aki noY ，K urobaneY ，OchiK ，et a1．D at abaseoft est andnum eri cal analysi s resul t sforunsti ff enedtubular j oi nt s[R]，Kum am ot oU nivers ity，1996． [ 3] K ang CT，M of fatDG ，M ist r y J．St rength ofD Ttubular j oi nt sw i t hbraceandchordcom pressi on[J]，St ructural Engi neeri ng，A SCE，1998，1247775-783． [ 4]鲍侃袁，沈国辉，孙炳楠等．高耸钢管塔K 型结点极 ■蚕圈霍一 限承载力的试验研究与理论分析[ J] ，工程力学，承载力分析[J]，建筑结构，2012，422103106． 2008，25 12 114．122．[ 8] 输电线路钢管塔构造设计规定Q／GD W 391- 2009[ s] ， [5]邢丽，赵阳，董石麟等．矩形钢管焊接球节点的有限国家电网公司，2009． 元分析与试验研究[ J] ，浙江大学学报 工学版 ，[9]Et本铁塔协会．输电线路钢管塔制作基准[s]．东京 2006，4091559-1563．丸善株式会社，1995． [6]刘红军，李正良，李茂华．钢管输电塔环型加肋节点[10] 沈国辉，陈震，郭勇等．螺栓节点板抗剪连接的有限 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ession．The r esult sobt ai nedfromfi nit eel em entanal - ysisandful l．s calet es tsfort het ubul arnodesw i t handw i t houtrei nforcedplat esarequi t ecl os e．Fur t herm or e．t hefi． niteel em entm et hoddemonst rat esi t s abil i ty t oobtai nt he decreasi ngpar t of l oad-di s pl acem ent curve． K eyW or dsFinit e Elem ent M et hod；St eelSt ruct ure；Tubul arNode；Beati ngCapaci t y；FuH scal e Test s ”●●l ●●十。●Il l ●‘，。ql *t l l I*11 11N Il It l l I*n t ldl l Iqln i l I I i *11NIIni lI mt l l 上接第19页 R esearchont heBIMD at a St orage St andar dsand I ntegr ated D at a M anagem ent Lin Li angfan，D engX ueyuan Depart m entofC i vilEngi neering，ShanghaiJi aoTongU ni versi t y，Shanghai200240，C hi na A bst ractThi spaper fir stlypr esent s t he devel opm ent ofdat ast andardsint heA ECi ndust r i esandt hedefi ni ti onofBIMdat a stor agest andards ．Secondl y，t he research st at us，com posi t i on andfunct i onsofB I Mdat a i ntegr ated sys t em areel aborat ed t ogether w i t ht he advant 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