平面K型管节点力学性能研究

平面 K型管节点力学性能研究

易飞华

湖南省工业设备安装有限公司建筑分公司，湖南 株洲 412000

摘要：利用ANSYS软件对41个平面K型管节点进行了有限元分析，研究不同节点参数，即主管管径D、主管壁厚T、支管管径d、支管壁厚t、主支管夹角θ对节点力学性能的影响，并通过数值拟合的方法得到节点的刚度计算公式。

关键词：平面K形管节点；节点转角变形；有限元分析；力学性能

1引言

社会发展使得人们对会展中心、机场、车站、体育场馆等大跨度公共建筑需求不断增长，各种新材料的使用以及分析理论和计算手段的日益完善进一步推动了大跨度结构的研究与应用。作为大跨度结构的主要结构形式之一，平面管桁架结构由于其独特的优点在工程建设中得到广泛应用^[1]，针对管结构进行的研究也成为工程领域热点^[2] 。目前对管桁架结构的研究集中在管节点的节点失效模式、节点极限承载力方面的研究^[3~5]，对节点刚度的研究相对较少，特别是对圆管节点的刚度研究。

2有限元模型的建立

2.1材料选用

节点有限元模型材料选择Q235-B钢，应力应变关系选用理想弹塑性模型^[6]，弹性模量E=2.06×10¹¹N/m²，屈服强度f_y=2.35×10⁸N/m²，泊松比µ=0.3，材料的屈服准则遵守 Von Mises 屈服准则及相关的流动法则，不考虑节点区焊缝以及残余应力对钢管节点。

2.2单元选用

本文建立的节点有限元模型选用ANSYS单元库中的两类单元：MPC184单元和SOLID45单元，其中,管节点实体采用SOLID45单元进行模拟，MPC184单元为方便施加约束和荷载作用而新建的刚性梁单元。

2.3边界条件及荷载施加

图1 边界条件及荷载施加

Fig.1 Boundary conditions and load

边界条件及荷载施加情况如图1所示。主管左端为固定铰支座，右端为可以沿主管轴线方向滑动的滑动铰支座。支管一端与主管焊接，另一端为悬臂端，悬臂端施加轴向力与弯矩作用。主、支管夹角为θ，长度为由主、支管轴线交点向外各延伸0.6m。

支管端部施加的荷载为F₁=F₂=60kN，M₁=M₂=3kN·m，经过计算分析得到节点转角变形值Δ。图2、图3分别为为主管Ø160×9.0，支管Ø90×6.0，θ=45°的K形节点变形图、应力等值线图。

图2 节点变形图 图3 应力等值线图

Fig.2 Deformation of the joint Fig. 3 Von mises stress

从图2可以看出，结构变形主要是在支管处，主管变形不明显。

从图3可以看出，主管应力在两端相对较小，在节点连接部位及其附近相对较大，这主要是作用在支管端部的轴向力和弯矩作用传递到节点处造成的。左侧支管截面左侧应力较大，右侧应力较小。右侧支管右侧截面应力较大，左侧应力较小。这主要是由于作用在支管的弯矩与轴向力作用的结果。主管上与支管相连部位应力值最大，属于典型的应力集中现象。

3节点力学性能的影响因素分析

3.1主管管径对节点力学性能的影响

利用ANSYS软件建立了不同主管管径的节点有限元模型，模型各参数为：主管管壁厚度9.0mm，支管Ø95×6.0，主支管夹角45°。在其他各参数不变的情况下，改变主管外径D分别为：140mm、145mm、150mm、155mm、160mm、165、170mm、175mm、180mmm共9个平面K型管节点，经计算分析得到节点转角变形值如图4所示。

图4 主管管径变化对节点转角变化的影响

Fig.4 Influence of the chord member diameter change

从图4可以看出，节点转角变形值受主管管径变化影响非常大，节点转角变形值随着主管管径的增大迅速减小。通过对图4中曲线进行拟合，平面K型管节点主管管径D与节点转角变形值Δ之间关系基本符合式（1）。

（1）

3.2主管管壁厚对节点力学性能的影响

利用ANSYS软件建立了不同主管壁厚的节点有限元模型，模型各参数为：主管外径160mm，支管Ø90×6.0，主支管夹角为45°。在其他参数不变的情况下，改变主管管径T分别为：8.0mm、8.5mm、9.0mm、9.5mm、10.0mm、10.5mm、11.0mm、11.5mm共8个平面K型管节点，经计算分析得到节点转角变形值如图5所示。

从图5可以看出，节点转角变形值受主管管壁厚度影响较大，随着主管壁厚的增加而减小，但可以发现，在主管管壁厚度较小时管壁厚度变化对节点转角变形值影响相对管壁厚度较大时大。通过对图5中曲线进行拟合，平面K型管节点主管壁厚T与节点转角变形值Δ之间关系基本符合式（2）。

（2）

图5 主管壁厚变化对节点转角变化的影响

Fig .5 Influence of the chord member wall thickness change

3.3支管管径对节点力学性能的影响

利用ANSYS软件建立了不同支管管径的节点有限元模型，模型各参数为：主管Ø160×9.0，支管壁厚6.0mm。其他各参数不变的情况下，改变支管管径d为：80mm、85mm、90mm、95mm、100mm、105mm、110mm、115mm共8个平面K型管节点，经计算分析得到节点转角变形值如图6所示。

图6 支管管径变化对节点转角变化的影响

Fig.6 Influence of the bracing member diameter change

从图6可以看出，节点转角变形值受支管管径影响相对较小，节点转角变形随支管管径增加而减小。当支管管径大于110mm时节点转角变形值受支管管径变化影响非常大，通过对平面K型管节点模型进行分析发现这主要是由于支管管径位于这一范围内平面K型管节点逐渐由间隙节点过渡到搭接节点，故可知支管搭接与否对平面K型管节点力学性能影响很大，有必要分别对间隙型与搭接型平面K型管节点分别进行研究。通过对图6中曲线进行拟合，平面K型管节点支管管径ｄ与节点转角变化值Δ之间关系基本符合式（3）。

（3）

3.4支管壁厚对节点力学性能的影响

利用ANSYS软件建立了不同支管壁厚的节点有限元模型，模型各参数为：主管Ø160×9.0，支管管径90mm，主支管夹角45°。其他各参数不变的情况下，改变支管壁厚t为：5mm、5.5mm、6.0mm、6.5mm、7.0mm、7.5mm、110mm、115mm共8个平面K型管节点，经计算分析得到节点转角变形值如图7所示。

图7 支管壁厚变化对节点转角变化的影响

Fig .7 Influence of the bracing member wall thickness change

从图7可以看出，支管壁厚对荷载作用下的节点转角变化值影响较小，节点转角变形值随支管壁厚增大而减小。通过对图2-12曲线进行拟合，平面管K型管节点支管管径t与节点转角变形值Δ之间关系基本符合式（2-4）。

（4）

3.5主支管夹角对节点力学性能的影响

利用ANSYS软件建立了不同主支管夹角的节点有限元模型，模型各参数为：主管Ø160×9.0，支管Ø90×6.0。其他各参数不变的情况下，改变主管夹角θ分别为：36°、39°、42°、45°、48°、51°、54°、57°共8个平面K型管节点，经计算分析得到节点转角变形值如图8所示。

图8 主支管夹角变化对节点转角变化的影响

Fig .8 Influence of the change of the angel θ

从图8可以看出，主支管夹角对节点转角变化值影响较小，节点转角变形值随主支管夹角增大而增大。当主支管夹角大于51°时节点转角变形值受主支管夹角变化影响明显。通过对图8曲线进行拟合，平面K型管节点主支管夹角θ与节点转角变形值Δ之间关系基本符合式（2-5）。

（5）

3.6节点刚度计算公式的得出

从前面的分析中知道，平面K型管节点的主管管径D、主管壁厚T、支管管径d、支管壁厚t以及主支管夹角θ对荷载作用下的节点转角变形值均产生一定影响。通过对前述节点有限元模型数据结果进行拟合，平面K型管节刚度R计算公式可以表示为：

（6）

式（6）为分析大量间隙型平面K型管节点得到的。在之前的分析中可知节点的搭接与否对在荷载作用下的节点转角变形影响很大，因此式（6）对于间隙型平面K型管节点适用，对于搭接型平面K型节点是否适用有待进一步研究。

5结论：

（1）平面K型管节点的主管管径、主管壁厚对节点刚度影响较大，支管管径、支管壁厚以及主支管夹角对节点刚度影响相对较小。

（2）间隙型与搭接型平面K型管节点力学性能相差很大，因此有必要分别进行研究。

（3）本文的节点研究以间隙型平面K型管节点为基础展开，因此通过数值拟合得到的节点转角变形公式以及节点刚度计算公式对间隙型平面K型管节点适用，搭接型平面K型管节点刚度计算公式有待进一步研究确定。

参考文献

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