K型圓管相貫節(jié)點極限承載力分析

1、K型圓管相貫節(jié)點極限承載力分析 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（空）區(qū)建筑物保護、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 力學與建筑工程學院 徐州 211000;中國礦業(yè)大學力學與建筑工程學院，徐州 211000211000;21100013685194155;1368519415513685194155國礦業(yè)大學南湖校區(qū)杏三B6021;中國礦業(yè)大學南湖校區(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（空）區(qū)建筑物保護、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)點幾個設(shè)計問題的探討 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)標準*|*GB 50017-2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(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,張運濤.T、Y型方圓相貫

4、管節(jié)點極限承載力有限元分析 J.淮南工業(yè)學院學報,2002, 22(4): 20-217*|*期刊*|*吳建剛,完海鷹.方圓相貫節(jié)點極限承載力數(shù)值模擬試驗分析 J.安徽建筑工業(yè)學院學報,2003, 11(3): 118*|*期刊*|*劉建平, 郭彥林.K型方、圓管相貫節(jié)點的極限承載力非線性有限元分析 J.建筑科學,2001, 17(2): 52|1|魏義波|WEI Yibo|中國礦業(yè)大學 力學與建筑工程學院 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)大學南湖校區(qū)杏三B6021|211000|weiyibo21213685194155*|2|夏軍武|XIA Junwu|中國礦業(yè)大學力學與建筑工程學院，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（空）區(qū)建筑物保護、鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)、特種結(jié)構(gòu)。|中國礦業(yè)大學南湖校區(qū)杏三B6021|

6、211000|xjunw13685194155K型圓管相貫節(jié)點極限承載力分析|Ultimate Strength of Circular Tubular K-joints|（1. 中國礦業(yè)大學 力學與建筑工程學院 徐州 211000；2. 中國礦業(yè)大學力學與建筑工程學院，徐州 211000）摘要：本文介紹了圓管相貫節(jié)點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)點殼單元，同時考慮材料的非線性和幾何非線性，分析計算了不同幾何參數(shù)條件下的K型圓管相貫節(jié)點的極限承載力，并繪出節(jié)點的極限承載力-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)計人員參考應(yīng)用。關(guān)鍵詞：圓鋼管；K型相貫節(jié)點；極限承載力中圖分類號：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)點又叫直接焊接節(jié)點和無加勁節(jié)點，這類節(jié)點系指主管保持貫通，支管通過幾何相貫線不采用任何加強措施直接焊接在主管管壁上的節(jié)點形式。這種節(jié)點形式不僅外形優(yōu)美、節(jié)點形

11、式簡單，而且節(jié)點承載力高、節(jié)約鋼材；另外節(jié)點形成了封閉的空間，還能節(jié)約防腐涂料1-2。從20世紀70年代開始，國內(nèi)外一些學者對圓管相貫節(jié)點的靜力性能做過不少試驗研究和數(shù)值模擬試驗，提出了一些相貫節(jié)點的承載力計算公式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（這里指平面相貫節(jié)點）的計算公式4；但是存在的問題仍然不少，比如，關(guān)于空間節(jié)點的承載力研究還很缺乏，只是在平面節(jié)點的基礎(chǔ)加以修正，沒有考慮空間幾何效應(yīng)和荷載效應(yīng)，所以計算公式有待進一步完善。另外規(guī)范中的節(jié)點形式還遠沒有包括工程中遇到的所有節(jié)點形式，大多數(shù)的復雜的空間節(jié)點形式都沒有涉及，只能通過經(jīng)驗和現(xiàn)場試驗來確定這些節(jié)點的承載

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)點極限承載力的影響因素，希望能為以后研究比較復雜的空間節(jié)點（KK、KT、KKT等）的承載力的影響因素和計算公式作鋪墊。1 承載力確定的原則相貫節(jié)點的極限承載力是指節(jié)點破壞或者主管表面塑性變形過大以至于不能繼續(xù)承載時作用在支管上的荷載。節(jié)點的承載力確定準則主要有以下三類，取三者中的最小值作為節(jié)點的極限承載力5：（1） 極限荷載準則：取荷載-位移曲線中最大荷載作為極限承載力，也就是節(jié)點破壞后作用在支管上的最大荷載；（2） 極限變形準則：取主管局部變形達到0.3%（為主管的外徑）時對應(yīng)的支管上的荷載作為極限承載力；（3） 初始裂縫準則：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的對應(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)點往往因為主管有很大的塑性變形而失去繼續(xù)承載的能力，所以國際上比較認準的準則是極限變形準則，即使主管管壁產(chǎn)生過度的局部變形時支管的軸力作為管節(jié)點的最大承載力。2 破壞模式對于K型圓管節(jié)點在反對稱荷載作用下，由于節(jié)點的幾何參數(shù)不同，K型節(jié)點可能發(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：當在0.6-0.8之間時經(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：一般在比較小的時候會發(fā)生，這是因為支管在主管

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：當支管的厚度較小時會發(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時會發(fā)生主管腹板的局部屈曲破壞。這是因為支管上的豎向軸力直接傳到了腹板上，主要由腹板來承擔支管的豎向分力。此外，已經(jīng)證明了在設(shè)計中只要限制了d/t的比值就能避免局部屈曲。限制d/t的另一個效果就是使腹桿的有效寬度準則不再是一個起控制作用的破壞準則。還有，在設(shè)計建議的適用范圍內(nèi)，已經(jīng)證明主管屈服準則的計算公式能夠包含主管的剪切

15、準則。這樣，在設(shè)計時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 有限元分析運用有限元軟件ANSYS對K型相貫節(jié)點在軸力作用下的受力情況進行數(shù)值模擬研究，研究各種幾何因素對K型圓管相貫節(jié)點極限承載力性能的影響規(guī)律。3.1 計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)點的彈塑性殼單元，每一個節(jié)點有6個自由度，包括3個線位移自由度和3個轉(zhuǎn)動自由度；計算模型采用自動網(wǎng)格劃分；求解時使用非線性求解器，考慮材料非線性和幾何非線性，采

16、用Von Mises屈服準則，收斂準則為位移收斂準則。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，僅在支管末端的節(jié)點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K型圓管相貫節(jié)點進行分析時，選取Q235鋼作為材料。其屈服強度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，假定選材料為理想的彈塑性材料，即材料在達到屈服應(yīng)力fy

17、后，切線模量Et=0，屈服準則遵守Von Mises屈服準則及相關(guān)的流動法則。為簡化計算過程，本文沒有考慮節(jié)點區(qū)焊縫以及殘余應(yīng)力對鋼管節(jié)點極限承載力的影響。3.3 計算參數(shù)對K型圓管節(jié)點進行承載力計算分析，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、主管夾角對節(jié)點極限承載力的影響。其中=,=，=，=，分析時保持主管的尺寸不變.計算結(jié)果如表1.表1 計算結(jié)果Tab. 1 Calculation results節(jié)點編號幾何參數(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、主管直徑比對節(jié)點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，則支管軸力對主管管壁產(chǎn)生的垂直應(yīng)力分量減小，節(jié)點的極限承載力提高；另外支、主管直徑比越大，管節(jié)點的剛度越大，沿相貫線處的應(yīng)力分布越均勻，節(jié)點的極限承載力越大。另外還可以從圖中可以看出，當支主管直徑比大于0.

20、6的時候，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看出主管徑厚比對節(jié)點的極限承載力影響顯著。這是因為隨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)點處主管的剛度變小，承載力能力降低。即，節(jié)點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，承載力下降的較快，這是因為值較小的節(jié)點的主管壁厚較大，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；而當值在2030之間時，節(jié)點極限承載力下降的較慢，這是因為節(jié)點主管的壁厚較小，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、主管厚度比對節(jié)點極限承載力影響不大，增加0.2的時候承載力也就增加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)點的極限承載力提高的有限。綜上得管節(jié)點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節(jié)點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)點的極限承載力是不經(jīng)濟的。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。當支管間隙比變大時，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)點的剛度變小，由材料力學知道，剛度減小節(jié)點的承載力變小，節(jié)點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)點局部屈曲，使節(jié)點承載力增加。所以節(jié)點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)點極限承載力承載力減小。通過力學簡化模型（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