海洋平台圆钢管柱-钢梁外加强环节点非线性有限元分析

王兆强，赵金城

（上海交通大学，上海，200240）

0 引言

节点的性质对结构静定性、稳定性、动力特性以及构件的截面选择都有重要的影响。 外加强环连接节点具有传力明确、节点区应力分布均匀、刚度大、塑性性能好、承载力高等特点。 目前国内外研究者对圆钢管混凝土柱－梁加强环板节点进行了大量的试验和理论研究，然而对钢管柱－梁的研究较少。

在海洋平台上部结构、高层建筑、大型塔架等结构中，圆钢管柱与钢梁外加强环节点的刚性连接为主要的梁柱连接形式之一。 加强环板有第Ⅰ型圆形、第Ⅱ型菱形、第Ⅲ型改进菱形和第Ⅳ型弧形等四种形式[1-2]。 本文对东海某海洋平台第Ⅰ型圆形加强环节点，利用有限元分析软件进行非线性分析。分析在不同轴压比条件下，加强环板不同宽度和不同厚度时，节点的应力分布以及在不同条件下节点刚度、承载力的变化趋势。 最后针对此类节点提出了设计建议。

1 有限元模型的建立

1.1 有限元模型

图1给出了ABAQUS软件中建立外加强环节点模型。 对于所有节点模型均采用4节点四边形有限薄膜应变线性减缩积分壳单元S4R。 导管架海洋平台主体结构采用D36钢[3]，其力学性能指标见表1。 梁长柱高近似按反弯点位置选取，钢管柱长6 m，两端铰支，钢梁一端与柱通过加强环连接，另一端悬臂，悬臂梁轴线总长度为4 m。 对具有圆形加劲环圆钢管柱钢梁节点进行分析。 分析时采用的轴压比n＝No/Nu分别为0，0.2，0.4，0.6，0.8，其中Nu为钢管柱的极限承载力。

图1 外加强环节点有限元模型

表1 D36钢力学性能

东海某海洋平台圆管柱的截面尺寸为1 200×45 mm，工字钢梁的截面尺寸为900×300×16×28 mm。 根据此尺寸建立节点模型，模型参数见表2。

表2 模型参数

1.2 边界条件、加载过程

钢管柱顶面采用铰接边界条件，底部截面约束了三个方向的位移，上部截面约束除轴向位移的其它方向的线位移。 钢梁的悬臂端约束梁腹板平面外位移，以防止节点发生平面外失稳。

所有试件的分析计算过程分三个荷载步，第一个荷载步在柱顶施加轴向压力，第二、三个荷载步利用位移加载，在梁的悬臂端施加位移荷载。 第二个荷载步施加位移所达到的荷载约为极限荷载的1/3，用于确定节点的刚度；第三个荷载步用于确定极限荷载。 每个荷载步均采用大变形静力分析方法。计算过程中利用NR平衡迭代方法求解，采用自动增量步长法，可以有效地提高非线性求解效率。

2 试件的分析结果

2.1 节点荷载位移曲线

考察节点抗弯刚度有两种方法：直接法与间接法。 直接法测取节点部位的弯矩和相邻杆件间的相对转角，优点是测试结果直接表现节点抗弯刚度，缺点是弯矩难以直接测读，需经过计算得到，相对转角的测定值中包含杆件变形的影响，需甄别后予以剔除；间接法通过量测承受横向力作用的杆件端部荷载和相应位移的方式，得到剪力—位移曲线，然后根据理论模型的计算比较，分析节点的抗弯刚度。 这是框架梁柱节点分析中常采用的方式。 本文基于后一种方法进行分析[4]。

图2给出了当板宽变化时，节点试件梁端荷载—位移曲线。 从图中可以看出，板宽对荷载—位移曲线的形状、节点刚度及承载力影响较大。 图3给出了当板厚变化时，节点试件梁端荷载—位移曲线。从图中可以看出，环板厚度对节点荷载—位移曲线形状影响较小，对节点刚度、承载力有一定的影响。图4给出了当轴压比变化时，节点试件梁端荷载—位移曲线。 从图中可以看出，轴压比对荷载—位移曲线形状以及刚度承载力均没有明显的影响。

图2 环板宽度变化时荷载－位移曲线

图3 环板厚度变化时荷载－位移曲线

图4 轴压比变化时荷载－位移曲线

2.2 极限状态下节点应力分析

以荷载－位移曲线上第一个峰值点作为节点的承载力极限状态，相对应的荷载作为节点的极限承载力。

图5给出了试件040528、041028、042028在承载力极限状态下的应力分布图。 从图中可以看出，随着加强板宽度的增加，在极限状态下，加强板对力的分散作用增强，使得在板宽较大的情况下，钢管柱中的塑性区域近乎消失，而集中出现在柱端。

图6给出了试件041024、041028、041040在承载力极限状态下的应力分布图。 从图中可以看出，加强板厚度对钢管柱的塑性区域有较大的影响。

图7给出了试件001028、041028、081028在承载力极限状态下的应力分布图。 从图中可以看出，随着轴压比的增大，在极限状态下，钢管柱中塑性区域将会逐渐变大。 塑性区域从梁端部塑性区域扩大到柱的整个高度范围内。

图6 板厚对极限应力分布的影响

图7 轴压比对极限应力分布的影响

3 参数分析

以加强板的几何尺寸和柱轴压比为主要参数，对钢管柱钢梁加强环节点的刚度和承载力进行了分析。

3.1 加强板宽度对刚度、承载力的影响

图8（a）给出了随着板宽增加，刚度的变化趋势。 以第二个荷载步所给出的荷载位移曲线确定节点的刚度。 图8（b）给出了随着板宽的增加节点极限承载力的变化趋势。 随着板宽的增加，节点的刚度、承载力基本成线性增长且影响程度较大，对刚度的影响达到70.2%，对承载力的影响达到16.9%；节点刚度、承载力增加较明显，考虑到局部稳定以及经济等方面的因素，结合现有规范[5] 以及[6]，建议板宽比在0.7-2.0之间。

图8 加强板宽度对刚度、承载力的影响

3.2 加强板厚度对刚度、承载力的影响

图9（a）给出了随着板厚的增加，刚度的变化趋势。 图9(b)给出了随着板厚的增加，节点极限承载力的变化趋势。 板厚的增加对刚度的影响达到13.7%，对承载力的影响达到2.3%。 从图9中可以看出以板厚度等于梁翼缘厚度为界限，当板厚度小于梁翼缘厚度时，节点的刚度和承载力下降的较快；当厚度大于梁翼缘厚度时，节点的刚度和承载力线性增加。 在设计时，加强板厚度不宜小于翼缘厚度。建议在节点设计时，环板的厚度不小于梁翼缘厚度。

图9 加强板厚度对刚度、承载力的影响

3.3 轴压比对刚度、承载力的影响

图10（a）给出了随着轴压比的增加，刚度的变化趋势。 图10（b）给出了随着轴压比的增加，节点极限承载力的变化趋势。 从图10中可以看出，随着轴压比的增大，节点的刚度和承载力呈现下降的趋势，但差别较小。 刚度下降百分比为1.4%，而承载力几乎没有变化，仅为0.4%。 可以认为轴压比对节点刚度、承载力无影响。

图10 轴压比对刚度、承载力的影响

4 结论

本文针对海洋平台上部结构中普遍采用的圆管柱钢梁外加强环节点进行了研究，考虑了加强板宽度、厚度以及轴压比变化对节点应力分布、刚度和承载力的影响。 结果表明：

（1） 随着板环宽度、厚度的增加，柱塑性区域逐渐减小；随着轴压比的增大，柱的塑性区域逐渐变大。

（2） 当板宽增大时，节点的刚度、承载力成线性增长且影响程度较大。 随着板宽的增加，节点刚度、承载力增加明显，考虑到局部稳定以及经济等方面的因素，建议板宽比在0.7-2.0之间。

（3） 当板厚增大时，节点的刚度、承载力逐渐增加，并且以板厚等于梁翼缘厚度为分界线，当厚度较小时，节点的刚度、承载力下降较快。 建议设计时，板环厚度不应小于梁翼缘的厚度。

（4） 随着轴压比的增加，节点的刚度降低较小，极限承载力几乎没有变化。

[1] 钟善桐.钢管混凝土结构[M].北京：清华大学出版社，2003.

[2] 钟善桐，白国良.高层建筑组合结构框架梁柱节点分析与设计[M].北京：人民交通出版社， 2006.

[3] 国家质量技术监督局,船体用结构钢(GB712-2000)[S].北京：中国标准出版社，2000.

[4] 王 伟.圆钢管相贯节点非刚性性能及对结构整体行为的影响效应[D].同济大学申请博士学位论文，上海：同济大学，2005.

[5] 中华人民共和国建设部，钢结构设计规范(GB50017-2003)[S].北京：中国计划出版社，2003.

[6] 中国建筑标准设计研究院，多、高层民用建筑钢结构节点构造详图[M].北京：中国计划出版社，2009.