复杂的空间多维钢管桁架节点承载力分析

桂浩宸

(遂宁东辰荣兴国际学校, 四川遂宁 629000)

1 概 述

近年来，管桁架结构在各类大型场馆结构中应用较多，一般是以平面节点为主，而空间多维节点的较少。相比之下，空间多维节点连接方便，受空间限制较小，但其传力特征不明确，设计较为复杂。目前国内外对于常规的K、T型常规桁架节点的力学性能，国内外已经取得了较多的研究，为实际工程具有指导意义[1]。但是，对于空间多维多向钢桁架节点来说，节点的受力和构造更为复杂，而且无严格的标准和规范可依[2]。因此，目前对复杂的空间多维钢管桁架节点进行研究具有重要的理论和实际意义。近年来，对于空间多维多向钢节点的研究多采用试验或有限元分析的方法[3]。本文以某天际别墅钢结构工程为背景，选取其转换层钢桁架的关键空间节点为研究对象，采用大型通用有限元程序ABAQUS对其设计承载力进行验算并找出节点的薄弱部位，同时提出提高节点承载性能的加劲措施并进行有限元验证分析。

2 计算模型

2.1 节点几何参数

如图1所示，本文研究的节点杆件较多，构造复杂，为提高节点的承载力，减少主管的变形，节点设置有插板。节点各杆件截面尺寸、插板厚度见表1。

图1 节点三维示意

表1 节点构件尺寸

2.2 节点有限元模型建立

根据圣维南原理，为使杆端约束不影响杆中应力分布，有限元模型中节点各杆的长度取杆件直径的3～4倍。如图2所示，采用ABAQUS建立节点的有限元模型，其中模型的单元选用SR4(四节点减缩积分壳单元)单元。该空间多维钢管桁架节点几何非常复杂，为降低网格划分难度，保证计算效率和精度，模型采用以四边形为主的自动划分方法，并在杆件会交处的进行网格加密。

材料为Q345钢，本构为双线性，弹性模量2.06×105MPa，泊松比0.3，屈服强度为310 MPa(部分杆截面厚度大于16 mm小于35 mm屈服强度取295 MPa)。节点的加载及边界条件情况如图3所示，约束边界均为铰接。

外加荷载为结构整体模型在最不利荷载工况下对应杆件的轴力，其值见表2。

2.3 节点有限元分析结果

图4为节点的Von-Mises应力云图，由于插板与杆件交界处存在应力集中，致使交界处应力达到了295 MPa，进入塑性。更为关键的是， 4、5和8号杆在主管上交汇处应力超过了300 MPa，也进入了塑性，而节点的其他部分应力都小于200 MPa，还处于弹性阶段，说明4、5和8号杆在主管上交汇处为节点的薄弱点。由图4可知节点整体变形较小，仅薄弱部位的局部变形较大，变形值为0.7 mm，小于0.01 d(约6 mm，d为杆件直径)的极限变形值[4]。

图2 节点有限元模型

图3 节点加载及边界条件示意

表2 节点的加载轴力

图4 节点的von-Mises应力云图

2.4 节点加强方案

目前钢管节点加强主要有：在主管内部灌浆，增加主管壁厚、主管加套管、加垫板、主管内外设置肋环及加节点板等方法[5]。

其中在主管外设置与支管相连的加劲板可以分散支管端传来的轴向荷载，减小相贯线处主管管壁荷载，达到提高节点承载力的目的[6]。

为提高节点承载性能，综合考虑施工便利性及经济性，采用增设加劲板的加强方案。并根据其变形特点分析可知，节点薄弱区主管管壁产生凹陷变形，其变形呈横向分布,即该区域横向刚度较弱，应给予加强。因此如图5所示增设横向加劲板(板厚30 mm)。加强后的节点Von-Mises应力云图见图6，可知在增加加劲板后其薄弱区应力下降到200 MPa，其承载力得到显著提高。

图5 节点加劲

图6 加强节点的应力云图

3 结论

根据以上有限元分析可以得出以下结论和建议。

(1)有限元结果表明，在最不利工况下，未加强的节点整体上处于弹性阶段，局部变形很小，具有一定的安全储备，满足规范的要求。

(2)利用有限元分析方法，复杂的空间多维钢管桁架节点的薄弱部位可以很容易明确，也可以根据有限元的分析结果，选取合理的加强措施。

(3)根据薄弱部位的变性特征，合理地布置加劲措施，可以有效的改善节点薄弱区的受力状况，提高其承载力。

(4)本文有限元模型边界条件设置较为粗糙，忽略了焊缝及残余应力的影响，有待日后进一步的研究。