內加勁肋對大尺寸KT型相貫節(jié)點抗震性能影響的數值模擬分析①

曾維迪， 沈之容

(同濟大學建筑工程系，上海 200092)

鋼管結構由于具有優(yōu)良的結構性能以及經濟性能而被廣泛應用于塔架、鋼橋及各種大跨度空間結構中，方鋼管相貫節(jié)點是其中最主要的節(jié)點形式之一.目前，小尺寸相貫節(jié)點的研究已比較充分，而對于大尺寸鋼管相貫節(jié)點的抗震性能，國內外研究較少[1].

隨著工程的復雜程度增大，大尺寸方鋼管節(jié)點得到廣泛的應用，但對其抗震性能的研究卻很少.對于鋼管相貫節(jié)點，由于節(jié)點和桿件承載力的相關性，其節(jié)點極限承載力常常低于桿件承載力，在地震荷載作用下，節(jié)點可能先于桿件發(fā)生塑性變形或局部屈曲，相貫節(jié)點的滯回性能將極大地影響鋼管結構的整體抗震性能;而加勁肋的存在，由于限制了其塑性變形，將影響其滯回性能[2].因此，有必要對普通及加勁肋加強的相貫節(jié)點的滯回性能進行深入研究.

本文對在弦桿內部不設加勁肋、兩個加勁肋及四個加勁肋的大尺寸方鋼管相貫節(jié)點進行有限元建模，低周往復加載數值試驗模擬，得出不同加勁方法下的滯回曲線及骨架曲線[3].

1 研究方法和模型建立

1.1 基本方法

節(jié)點如圖1所示，弦桿(桿件)截面為 900×900×50×50，斜腹桿(桿件2和桿件3)的截面為 450×450×30×30，豎腹桿(桿件4)截面為 400×400×25×25.桿件1和桿件2(或桿件3)之間的夾角為，桿件1和桿件4之間的夾角為.利用有限元建模分析以下三種條件下節(jié)點的滯回曲線:1、弦桿內部不設置加勁肋(如圖1)，即位置1～4均無加勁肋(記作KT0);2、弦桿內部設置兩個加勁肋，即位置1和4(記作KT2－1)或者位置2和3(記作KT2－2)處設置加勁肋，厚度為50mm;3、弦桿內部設置四個加勁肋(記作KT4)，如圖1所示.研究加勁肋位置和數量對節(jié)點滯回性能的影響，進而給工程設計一定的參考.

1.2 有限元模型的建立

由于桿件的厚度相對于斷面尺寸較小，采用ANSYS程序中4節(jié)點有限應變殼單元shell181進行建模計算.單元shell181適用于模擬薄殼至中等厚度殼結構，非常適用于線性分析及大轉動、大應變的非線性分析.節(jié)點各個桿件的長度根據具體情況取各個桿件最大橫截面尺寸的2～4倍不等，按照節(jié)點形式進行實體建模[4～5].節(jié)點網格劃分后有限元模型如圖2所示.

節(jié)點分析模型的邊界條件如圖3所示，弦桿一端固定，一端滑動.節(jié)點處相當于桿件的支座處，對于大尺度相貫節(jié)點應考慮傳遞彎矩，因此斜腹桿末端為滑動支座.豎腹桿末端承受往復荷載，為自由端.

有限元模型中所有鋼材料均采用Q345鋼材，材料密度為，屈服強度為fy=345N/mm2，彈性模量E=2.06105N/mm2，隨動雙線性強化模型、Mises屈服準則，往復加載時考慮Bauschinger效應，鋼材泊松比均取0.3.

2 有限元數值試驗模擬結果與分析

采用有限元數值方法模擬低周往復加載試驗，對不同加勁情況下的節(jié)點進行分析，得出其滯回曲線及骨架曲線，評價其抗震性能.

2.1 節(jié)點滯回曲線

采用有限元施主模擬得到節(jié)點KT0，KT2－1，KT2－2及KT4的滯回曲線如圖4所示.可以看出，四種節(jié)點的承載力均較高，添加加勁肋后(KT2－1，KT2－2及KT4)，有效的提高了節(jié)點的滯回性能.其中，KT2－2的加勁形式，僅使用兩個加勁肋便使節(jié)點的承載力和滯回性能顯著提高.

圖1 加勁肋示意

2.2 節(jié)點骨架曲線

將節(jié)點各圈滯回曲線的極限點連接起來，可以得到節(jié)點骨架曲線.通過有限元數值試驗模擬分析確定的各種加勁方式下的節(jié)點骨架曲線如圖5所示.節(jié)點骨架曲線的極值點可近似作為節(jié)點承受單向荷載時的極限承載力.計算可知，KT2－2形式節(jié)點的極限承載力為KT0形式節(jié)點的1.75倍.

2.3 節(jié)點性能比較

通過計算可得出不同加勁類型下的節(jié)點承載力、耗能及延性數據，如表1.從中可以看出，KT2－1形式，即在斜腹桿端部設置加勁肋的形式，具有較高的耗能及延性系數，但承載力沒有顯著的提高;KT2－2形式，即在豎腹桿端部設置兩個加勁肋的形式具有較高的承載力及滯回性能;KT4形式，即在豎腹桿及斜腹桿端部均設置加勁肋的形式具有較高的承載力及滯回性能.相比之下，KT2－2節(jié)點加勁形式較為經濟高效.

圖2 節(jié)點有限元模型

圖3 節(jié)點邊界條件

表1 不同加勁形式下的節(jié)點各項性能

3 結論

通過有限元數值試驗模擬分析大尺寸方鋼管相貫節(jié)點的抗震性能，比較KT型方鋼管相貫節(jié)點的滯回曲線及骨架曲線，可知:

(1)加勁肋設置在豎腹桿桿端具有較好的滯回性能.

(2)KT2－2，KT4節(jié)點極限承載力較KT0提高了1.75 倍.

圖4 不同加勁類型下的節(jié)點滯回曲線

圖5 不同加勁類型下的節(jié)點骨架曲線

(3)KT2－2形式節(jié)點具有較高承載力及滯回性能.

因此建議此類節(jié)點選擇KT2－2加勁方法，即在豎腹桿的端部設置兩個加勁肋，如圖1所示.

[1]唐波，余江濤，陸洲導，等.加勁肋對焊接球節(jié)點力學性能影響的數值分析[J].結構工程師.2011，(01).

[2]童樂為，顧敏，陳以一，等.具有內加勁肋的空間多支管的圓管節(jié)點性能研究[J].建筑結構，2009，(01).

[3]尹越，白林佳，韓慶華.N型圓鋼管相貫節(jié)點滯回性能有限元數值分析[J].天津大學學報，2009，(05).

[4]王秀麗，康露，楊文偉.K型圓管相貫節(jié)點滯回性能分析及試驗[J].土木建筑與環(huán)境工程，2012，(S1).

[5]楊文偉，王秀麗.管桁結構K型搭接節(jié)點滯回性能有限元數值分析[J].哈爾濱工程大學學報，2012，(12).