斜交网格结构空间相贯焊接节点承载力有限元分析

　　摘要：本文对某观光塔结构中一个斜交网格结构空间相贯焊接节点在多种荷载工况下的受力性能进行了分析并与规范计算值进行了比较。考察了不同壁厚、有无加设竖向或横向拼接板等多种因素对节点的极限承载力的影响及达到极限承载力时的破坏特征，从而对节点性能做出了综合评价。

　　关键词：空间相贯焊接节点；斜交网格；有限元；承载能力

　　0引言

　　某筒中筒结构的观光塔，塔总高122.5m，外筒由不同角度的钢管柱斜向相贯而成，内筒由4根圆钢管柱组成核心筒。外筒直径最大处23.6m，中间段直径最小为8m，上下柱不在一个平面内，形成双向倾斜相贯的空间管节点，节点受力大且复杂。

　　为满足外形要求，本文采用在节点区域设置横、竖向拼接板的构造方式。设拼接板使节点受力明显复杂，拼接板的位置、厚度、数量对节点的受力性能都有影响。本文采用ANSYS对塔典型节点进行有限元分析，探索节点的承载力性能和破坏模式，明确节点管与拼接板的作用。

　　

　　

　　1建立计算模型

　　1）节点构造

　　

　　图2为塔典型节点构造，节点管尺寸为Φ402/25，管平面外交角为170.4°，平面内交角为33.9°、32.9°。横向拼接板HB与竖向拼接板SB板厚均为50mm。

　　2）模型建立

　　

　　节点钢材弹性模量E=2.06×105N/mm2，泊松比为0.3。节点采用solid95单元，采用体扫掠网格划分方式形成六面体单元。假定节点底端为固定约束，顶部为只有沿节点管轴向方向位移的滑动约束，在节点管顶部施加集中荷载。

　　斜交网格结构中的斜柱能把大部分水平荷载以轴力的形式传给基础，避免二阶弯距的产生。本文只针对顶管只承受轴向力作用的理想节点的承载能力进行分析。

　　2节点受力分析

　　首先研究节点在弹性阶段的性能，本文对节点在P1=P2=P、P1=-P2=P、P1=P2=-P、P1=-PP2=0、P1=PP2=0等五种工况下的受力性能做有限元分析。材料采用线性模型，模型选用Mises屈服准则及相关流动法则，采用等向强化理论。

　　经分析得各工况的承载力设计值.。在P1=P2=-P、P1=P2=P两种工况下，节点中心区凹面首先达到钢材强度设计值；在P1=-PP2=0、P1=PP2=0工况下，节点中心区凹面受力一侧先达到钢材强度设计值，而凸面应力还在较小状态。说明节点的空间构造形式使节点在这些工况下存在平面外弯矩作用。在P1=-P2=P工况作用下节点应力最大值出现在横向拼接板下方竖向隔板与管壁交接处管壁内侧，凹面和凸面应力值相差不大，这说明在这样的荷载工况下节点平面外弯矩基本抵消。

　　

　　

　　

　　

　　

　　由该塔结构整体分析计算，该节点最大设计荷载值为拉力：-1604KN、压力：3247.3KN。节点设计承载力最小为设计荷载值的1.24倍。以工况P1=P2=-P为例，设计荷载作用下和在1.2倍设计荷载作下，节点Mises应力最大值分别为：235MPa和284MPa。故节点承载力富余较大。

　　

　　3节点管、拼接板的作用分析

　　1）拼接板对承载力的影响

　　假定节点管壁厚为25mm不变，仅改变拼接板的数量、厚度等因素，选取了22个不同的模型进行了模拟试验比较，计算结果见表3.1.由表中数据可知：随竖向拼接板板厚的变厚，节点极限承载力有明显提高，且提高幅度有变缓趋势；在横向拼接板板厚小于16mm前，节点极限承载力有一定的提高，板厚大于16mm后提高不明显。22个模型达到极限承载力时均在节点中心区节点管壁出现较大的塑性区域，

　　表3.1拼接板厚度对节点极限承载力的影响

　　试件编号SB0SB8SB12SB16SB20SHB25SB30SB35SB40SB45SB50

　　竖板壁厚t(mm)08121620253035404550

　　极限承载力(KN)60256675697572257492778380508308855087258900

　　试件编号HB0SB8HB12HB16HB20HB30HB35HB40HB45HB50SHB0

　　横板壁厚t(mm)0812162030354045500

　　极限承载力(KN)72337683773377507766780078137825784178585090

　　2）节点管厚度对承载力的影响

　　在SB和HB厚度均为25mm不变的情况下通过改变节点管壁厚来观察对节点承载力性能的影响。选取7个试件进行模拟研究，计算结果见表3.2。由表可知：随着管壁厚度的增加，极限承载力显著提高，基本成线性关系。达到极限状态时，节点中心区上下管连接处出现较大的塑性区域。

　　

　　表3.2不同壁厚的节点极限承载力

　　试件编号T1T2T3T4T5T6T7

　　壁厚t(mm)12162025303540

　　极限承载力(KN)409151836365774390021018411821

　　

　　

　　

　　

　　根据上述分析可见：拼接板起到了约束节点管壁径向变形的作用，其中SB的约束作用最大，HB次之。SB沿节点全高在一定程度上增加了节点的截面积，而HB只在节点中心区增加了节点截面积。故SB板厚越大，对节点的约束作用也越大，节点截面积增加越多，节点极限承载力提高明显，而HB在厚度达到一定程度后节点极限承载力提高则不明显。

　　4结论

　　通过上述分析可得如下结论：

　　1）节点设计承载力能达到设计荷载的1.24倍，极限承载力为设计荷载的2.8倍，该节点有较高的可靠性和实用性,具有足够的安全储备。节点进入塑性后仍然有很大的承载力潜力。

　　2）拼接板有效的约束了节点管的变形，由于节点处传力主要依靠节点管壁，拼接板的存在使节点管塑性从节点中心区应力集中部位向外发展。所以节点破坏模式主要表现为节点中心区节点管大面积进入塑性。

　　3）对于未设置拼接板的节点，节点中心区变形很大，该区域很快进入塑性阶段，节点变形增加快。设置拼接板能有效的约束节点管壁的径向变形，提高节点刚度，有效增加节点承载力，提高材料利用率。且竖向拼接板SB的约束作用优于横向拼接板HB。

　　参考文献

　　[1]韩小雷等.广州西塔巨型斜交网格空间相贯节点试验研究[J].建筑结构学报,2010,31(1),63-69

　　[2]马人乐等.388m高河南塔异型钢管X型节点的有限元分析[J].特种结构,2007,24(l),42-45

　　[3]潘斯勇等.科威特中央银行大厦巨型斜肋柱X节点设计.钢结构,2010,25,352-355

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