K型圓管相貫節(jié)點(diǎn)極限承載力分析

1、K型圓管相貫節(jié)點(diǎn)極限承載力分析 魏義波1，夏軍武2作者簡介：魏義波（1987-），男，碩士研究生，鋼結(jié)構(gòu)方向通信聯(lián)系人：夏軍武（1967-），女，教授，采動(dòng)（空）區(qū)建筑物保護(hù)、鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)、特種結(jié)構(gòu). E-mail: xjunw1.51.51.51.51.5School of mechanics and civil engneering China university of mining and technology Xuzhou 211000;School of mechanics and civil engneering China university of mining and

2、 technology Xuzhou 211000中國礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院 徐州 211000;中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，徐州 211000211000;21100013685194155;1368519415513685194155國礦業(yè)大學(xué)南湖校區(qū)杏三B6021;中國礦業(yè)大學(xué)南湖校區(qū)杏三B6021weiyibo212;xjunw魏義波（1987-），男，碩士研究生，鋼結(jié)構(gòu)方向;夏軍武（1967-），女，教授，采動(dòng)（空）區(qū)建筑物保護(hù)、鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)、特種結(jié)構(gòu)。魏義波;夏軍武WEI Yibo;XIA Junwu夏軍武1.51.51.51.51.51.

3、51.51.51.51*|*期刊*|*丁蕓孫.圓管結(jié)構(gòu)相貫節(jié)點(diǎn)幾個(gè)設(shè)計(jì)問題的探討 J.空間結(jié)構(gòu),2002, 8(2): 562*|*期刊*|*彭景,馬文祥.K型主方支圓相貫節(jié)點(diǎn)極限承載力非線性分析 J.鋼結(jié)構(gòu),2008, 10(23): 223*|*期刊*|*劉建平,郭彥林,陳國棟.圓管相貫節(jié)點(diǎn)極限承載力有限元分析 J.建筑結(jié)構(gòu),2002, 32(7): 564*|*技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)*|*GB 50017-2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范5*|*期刊*|*王小麗,翁雁麟,關(guān)富玲.X型圓管相貫節(jié)點(diǎn)極限承載力分析 J.市政技術(shù),2006, 24(1): 346*|*期刊*|*吳慶,周明智,張運(yùn)濤.T、Y型方圓相貫

4、管節(jié)點(diǎn)極限承載力有限元分析 J.淮南工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2002, 22(4): 20-217*|*期刊*|*吳建剛,完海鷹.方圓相貫節(jié)點(diǎn)極限承載力數(shù)值模擬試驗(yàn)分析 J.安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2003, 11(3): 118*|*期刊*|*劉建平, 郭彥林.K型方、圓管相貫節(jié)點(diǎn)的極限承載力非線性有限元分析 J.建筑科學(xué),2001, 17(2): 52|1|魏義波|WEI Yibo|中國礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院 徐州 211000|School of mechanics and civil engneering China university of mining and technology X

5、uzhou 211000|魏義波（1987-），男，碩士研究生，鋼結(jié)構(gòu)方向|中國礦業(yè)大學(xué)南湖校區(qū)杏三B6021|211000|weiyibo21213685194155*|2|夏軍武|XIA Junwu|中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，徐州 211000|School of mechanics and civil engneering China university of mining and technology Xuzhou 211000|夏軍武（1967-），女，教授，采動(dòng)（空）區(qū)建筑物保護(hù)、鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)、特種結(jié)構(gòu)。|中國礦業(yè)大學(xué)南湖校區(qū)杏三B6021|

6、211000|xjunw13685194155K型圓管相貫節(jié)點(diǎn)極限承載力分析|Ultimate Strength of Circular Tubular K-joints|（1. 中國礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院 徐州 211000；2. 中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，徐州 211000）摘要：本文介紹了圓管相貫節(jié)點(diǎn)的極限承載力的確定原則和破壞模式；應(yīng)用有限元程序分析軟件ANSYS，采用四節(jié)點(diǎn)殼單元，同時(shí)考慮材料的非線性和幾何非線性，分析計(jì)算了不同幾何參數(shù)條件下的K型圓管相貫節(jié)點(diǎn)的極限承載力，并繪出節(jié)點(diǎn)的極限承載力-幾何參數(shù)曲線圖。結(jié)果揭示了K型圓管相貫節(jié)點(diǎn)的受力性

7、能和承載力隨著腹桿與弦桿直徑比、腹桿與弦桿厚度比、弦桿徑厚比、弦桿與腹桿夾角和兩腹桿之間間隙g變化的規(guī)律?？晒┕こ淘O(shè)計(jì)人員參考應(yīng)用。關(guān)鍵詞：圓鋼管；K型相貫節(jié)點(diǎn)；極限承載力中圖分類號(hào)：TU392 3Ultimate Strength of Circular Tubular K-jointsWEI Yibo, XIA Junwu(School of mechanics and civil engneering China university of mining and technology Xuzhou 211000)Abstract: The determination principle

8、of the ultimate bearing capacity of tubular joints and failure modes are introduced in this article;Nonlinear finite element analysis was performed to the bearing capacity of the circular tubular gapped K-Joints under different geometric parameters.A 4-node-shell element was employed to stimulate th

9、e joints in the analysis considering geometric nonlinearity and material nonlinearity.The rules are summarized from the relation between the ultimate strength and joint geometric parameters, including （diameter ratio of branch to chord）,(thickness ratio of branch to chord),(ratioof chord diameter to

10、 its thickness),angle from the ridge along the weld line of a chord and diagonal members. Reference application for the engineering design staff.Key words: circular steel tube; tubular K-joints; ultimate capacity0 引言鋼管相貫節(jié)點(diǎn)又叫直接焊接節(jié)點(diǎn)和無加勁節(jié)點(diǎn)，這類節(jié)點(diǎn)系指主管保持貫通，支管通過幾何相貫線不采用任何加強(qiáng)措施直接焊接在主管管壁上的節(jié)點(diǎn)形式。這種節(jié)點(diǎn)形式不僅外形優(yōu)美、節(jié)點(diǎn)形

11、式簡單，而且節(jié)點(diǎn)承載力高、節(jié)約鋼材；另外節(jié)點(diǎn)形成了封閉的空間，還能節(jié)約防腐涂料1-2。從20世紀(jì)70年代開始，國內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)圓管相貫節(jié)點(diǎn)的靜力性能做過不少試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬試驗(yàn)，提出了一些相貫節(jié)點(diǎn)的承載力計(jì)算公式3。我國規(guī)范在借鑒國外和國內(nèi)研究的基礎(chǔ)上也推出了一部分節(jié)點(diǎn)（這里指平面相貫節(jié)點(diǎn)）的計(jì)算公式4；但是存在的問題仍然不少，比如，關(guān)于空間節(jié)點(diǎn)的承載力研究還很缺乏，只是在平面節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)加以修正，沒有考慮空間幾何效應(yīng)和荷載效應(yīng)，所以計(jì)算公式有待進(jìn)一步完善。另外規(guī)范中的節(jié)點(diǎn)形式還遠(yuǎn)沒有包括工程中遇到的所有節(jié)點(diǎn)形式，大多數(shù)的復(fù)雜的空間節(jié)點(diǎn)形式都沒有涉及，只能通過經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)來確定這些節(jié)點(diǎn)的承載

12、力，這是不合理的。為此本文分析了最基本的平面K型圓管節(jié)點(diǎn)極限承載力的影響因素，希望能為以后研究比較復(fù)雜的空間節(jié)點(diǎn)（KK、KT、KKT等）的承載力的影響因素和計(jì)算公式作鋪墊。1 承載力確定的原則相貫節(jié)點(diǎn)的極限承載力是指節(jié)點(diǎn)破壞或者主管表面塑性變形過大以至于不能繼續(xù)承載時(shí)作用在支管上的荷載。節(jié)點(diǎn)的承載力確定準(zhǔn)則主要有以下三類，取三者中的最小值作為節(jié)點(diǎn)的極限承載力5：（1） 極限荷載準(zhǔn)則：取荷載-位移曲線中最大荷載作為極限承載力，也就是節(jié)點(diǎn)破壞后作用在支管上的最大荷載；（2） 極限變形準(zhǔn)則：取主管局部變形達(dá)到0.3%（為主管的外徑）時(shí)對(duì)應(yīng)的支管上的荷載作為極限承載力；（3） 初始裂縫準(zhǔn)則：取出現(xiàn)第一

13、條肉眼可見的或者借助放大鏡可以看見的宏觀裂縫時(shí)的對(duì)應(yīng)的支管的荷載作為極限承載力。一般情況下初始的宏觀裂縫不好判斷，而管節(jié)點(diǎn)往往因?yàn)橹鞴苡泻艽蟮乃苄宰冃味ダ^續(xù)承載的能力，所以國際上比較認(rèn)準(zhǔn)的準(zhǔn)則是極限變形準(zhǔn)則，即使主管管壁產(chǎn)生過度的局部變形時(shí)支管的軸力作為管節(jié)點(diǎn)的最大承載力。2 破壞模式對(duì)于K型圓管節(jié)點(diǎn)在反對(duì)稱荷載作用下，由于節(jié)點(diǎn)的幾何參數(shù)不同，K型節(jié)點(diǎn)可能發(fā)生不同的破壞形式，主要有下面幾種6-8：（1） 主管表面的塑性失效：當(dāng)在0.6-0.8之間時(shí)經(jīng)常發(fā)生這種模式的破壞，主要現(xiàn)象是受拉支管把主管表面拉出，受壓支管將主管表面壓入。（2） 沖剪破壞：一般在比較小的時(shí)候會(huì)發(fā)生，這是因?yàn)橹Ч茉谥鞴?/p>

14、管壁上的水平分力主要由主管的上表面來承受，并且這時(shí)極限承載力由支管的橫向位移來控制。（3） 支管的屈服、局部屈曲：當(dāng)支管的厚度較小時(shí)會(huì)發(fā)生這種破壞。（4） 主管剪切破壞：主要發(fā)生在支管的間隙處，一般是主管的厚度比較大時(shí)經(jīng)常發(fā)生這種破壞。（5） 主管局部屈曲：一般在比較接近1時(shí)會(huì)發(fā)生主管腹板的局部屈曲破壞。這是因?yàn)橹Ч苌系呢Q向軸力直接傳到了腹板上，主要由腹板來承擔(dān)支管的豎向分力。此外，已經(jīng)證明了在設(shè)計(jì)中只要限制了d/t的比值就能避免局部屈曲。限制d/t的另一個(gè)效果就是使腹桿的有效寬度準(zhǔn)則不再是一個(gè)起控制作用的破壞準(zhǔn)則。還有，在設(shè)計(jì)建議的適用范圍內(nèi)，已經(jīng)證明主管屈服準(zhǔn)則的計(jì)算公式能夠包含主管的剪切

15、準(zhǔn)則。這樣，在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的起控制作用的破壞模式減少為：主管屈服和主管沖剪。3 有限元分析運(yùn)用有限元軟件ANSYS對(duì)K型相貫節(jié)點(diǎn)在軸力作用下的受力情況進(jìn)行數(shù)值模擬研究，研究各種幾何因素對(duì)K型圓管相貫節(jié)點(diǎn)極限承載力性能的影響規(guī)律。3.1 計(jì)算模型在非線性有限元分析過程中，考慮了邊界條件、網(wǎng)格精度、材料性能等因素，使獲得的極限承載力具有較高的工程精度。節(jié)點(diǎn)模型單元采用Shell 181單元，此種單元具有線性、非線性、大撓度等性質(zhì)，且為四節(jié)點(diǎn)的彈塑性殼單元，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度，包括3個(gè)線位移自由度和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；計(jì)算模型采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分；求解時(shí)使用非線性求解器，考慮材料非線性和幾何非線性，采

16、用Von Mises屈服準(zhǔn)則，收斂準(zhǔn)則為位移收斂準(zhǔn)則。主管一段邊界按固定考慮，另外一段只允許有軸向位移，徑向位移和轉(zhuǎn)動(dòng)位移被約束；支管邊界僅允許沿管軸方向有位移，徑向位移被約束。加載時(shí)，僅在支管末端的節(jié)點(diǎn)上施加軸向集中荷載（如圖1所示）。圖1 荷載與主管約束示意圖Fig.1 Loading and the restrain of primary pipeline3.2 材料性能本文對(duì)K型圓管相貫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析時(shí)，選取Q235鋼作為材料。其屈服強(qiáng)度fy=235N/mm2，彈性模量E=2.06105N/mm2,泊松比=0.3。在考慮材料非線性時(shí)，假定選材料為理想的彈塑性材料，即材料在達(dá)到屈服應(yīng)力fy

17、后，切線模量Et=0，屈服準(zhǔn)則遵守Von Mises屈服準(zhǔn)則及相關(guān)的流動(dòng)法則。為簡化計(jì)算過程，本文沒有考慮節(jié)點(diǎn)區(qū)焊縫以及殘余應(yīng)力對(duì)鋼管節(jié)點(diǎn)極限承載力的影響。3.3 計(jì)算參數(shù)對(duì)K型圓管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行承載力計(jì)算分析，主要考慮支、主管的直徑比，主管徑厚比，支、主管厚度比，兩支管間隙比，支、主管夾角對(duì)節(jié)點(diǎn)極限承載力的影響。其中=,=，=，=，分析時(shí)保持主管的尺寸不變.計(jì)算結(jié)果如表1.表1 計(jì)算結(jié)果Tab. 1 Calculation results節(jié)點(diǎn)編號(hào)幾何參數(shù)極限承載力(KN)K-010.2200.5450.17479.5K-020.4200.5450.17801.6K-030.6200.5450.17

18、1110.6K-040.8200.5450.171571.3K-051.0200.5450.172171.8K-060.6100.5450.173044.8K-070.6150.5450.171714.9K-080.6250.5450.17782.4K-090.6300.5450.17582.4K-100.6200.3450.171086.2K-110.6200.7450.171135.4K-120.6200.9450.171155.6K-130.6201.0450.171171.4K-140.6200.5300.171570.0K-150.6200.5600.17906.5K-160.620

19、0.5450.18992.4K-170.6200.5450.20991.6K-180.6200.5450.22990.9K-190.6200.5450.23990.3注： 表中的主管尺寸保持不變。 4 影響因素分析4.1 各幾何尺寸參數(shù)對(duì)極限承載力影響分析4.1.1 支、主管直徑比從圖2看出支、主管直徑比對(duì)節(jié)點(diǎn)極限承載力有著明顯的影響。隨著支、主管直徑比的變大，支、主管交接處的作用面積變大，則支管軸力對(duì)主管管壁產(chǎn)生的垂直應(yīng)力分量減小，節(jié)點(diǎn)的極限承載力提高；另外支、主管直徑比越大，管節(jié)點(diǎn)的剛度越大，沿相貫線處的應(yīng)力分布越均勻，節(jié)點(diǎn)的極限承載力越大。另外還可以從圖中可以看出，當(dāng)支主管直徑比大于0.

20、6的時(shí)候，極限承載力的增加速度變快，且是越大增加承載力增加的越快。圖2 曲線圖Fig. 2 graph4.1.2 主管徑厚比從圖3看出主管徑厚比對(duì)節(jié)點(diǎn)的極限承載力影響顯著。這是因?yàn)殡S著主管徑厚比的變大（這里假設(shè)主管直徑D不變），主管的厚度T變小，這樣在節(jié)點(diǎn)處主管的剛度變小，承載力能力降低。即，節(jié)點(diǎn)的極限承載力隨著主管徑厚比的減小而增大。在值在1020之間時(shí)，承載力下降的較快，這是因?yàn)橹递^小的節(jié)點(diǎn)的主管壁厚較大，隨值得減小，主管的有效面積成倍遞減，所以承載力下降的較快；而當(dāng)值在2030之間時(shí)，節(jié)點(diǎn)極限承載力下降的較慢，這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)主管的壁厚較小，面積減小的少，承載力較低，下降的幅度相對(duì)較小。圖3

21、 曲線圖Fig. 3 graph4.1.3 支、主管厚度比從圖4可知支、主管厚度比對(duì)節(jié)點(diǎn)極限承載力影響不大，增加0.2的時(shí)候承載力也就增加2%不到。這是由于隨著支、主管厚度比的變大，支、主管交接處的作用面積增加的幅度很小，支管作用在主管上的垂直應(yīng)力分量減少的幅度就比較小，甚至沒有變化，所以節(jié)點(diǎn)的極限承載力提高的有限。綜上得管節(jié)點(diǎn)的極限承載力隨著支、主管徑厚比變大而增加但是增加的程度很小，也就是說支管的厚度對(duì)節(jié)點(diǎn)的破壞不起控制作用（支管能保證不發(fā)生局部屈曲）。一般通過增加支管的厚度來提高節(jié)點(diǎn)的極限承載力是不經(jīng)濟(jì)的。圖4 曲線圖Fig. 4 graph4.1.4 兩支管間隙比由圖5知道節(jié)點(diǎn)的極限承

22、載力隨著間隙距離的變大而減小。這里假設(shè)主管的直徑D保持不變。當(dāng)支管間隙比變大時(shí)，也就是兩支管的間距g變大，受拉支管與受壓支管間的主管管壁抗彎剛度減小，支管間的相互影響就減小，節(jié)點(diǎn)的剛度變小，由材料力學(xué)知道，剛度減小節(jié)點(diǎn)的承載力變小，節(jié)點(diǎn)部位局部屈曲的可能性增加，工作性能就降低；另外g變小了，兩支管產(chǎn)生的平面內(nèi)彎矩Ng變小，搭接節(jié)點(diǎn)在搭接的范圍內(nèi)兩支管豎向分力抵消，主管受的力就降低，還有就是搭接部分增加了主管管壁的局部抗變形能力，延緩了節(jié)點(diǎn)局部屈曲，使節(jié)點(diǎn)承載力增加。所以節(jié)點(diǎn)的極限承載力隨著支管間隙比的變大而減小。圖5 g曲線圖Fig. 5 g graph4.1.5 支、主管夾角由圖6知道支管夾角變大，節(jié)點(diǎn)極限承載力承載力減小。通過力學(xué)簡化模型（圖1）知道支管軸向力作用在主管上的垂直分力為N，在其他參數(shù)不變