矩形管插接節(jié)點(diǎn)抗彎剛度研究

文/高永剛 上海泰大建筑科技有限公司 上海 200092

插接節(jié)點(diǎn)是指采用長度較短、截面形狀與主管截面形狀相同的輔管通過套插形式連接兩段主管的一種節(jié)點(diǎn)型式。插接節(jié)點(diǎn)有兩種形式，即外包套管節(jié)點(diǎn)和內(nèi)插套管節(jié)點(diǎn)[1]。實(shí)際工程中，考慮到兩種連接形式在受力特性上基本相同，因內(nèi)插套管節(jié)點(diǎn)在外觀上可隱藏連接，達(dá)到美觀的效果而被較多采用。故本文僅以內(nèi)插套管的插接節(jié)點(diǎn)作為研究對象。

插接節(jié)點(diǎn)通常用于受彎構(gòu)件的連接或固定，即主管的彎矩和剪力通過與輔管接觸部位的接觸力傳遞給輔管，從而達(dá)到傳遞荷載的目的。主管承受的軸壓力由主管之間的接觸面或主管與支座之間的接觸面直接傳遞。

插接節(jié)點(diǎn)中內(nèi)外管間通過螺栓連接，由螺栓提供預(yù)緊力保證內(nèi)外管接觸，產(chǎn)生摩擦力提供節(jié)點(diǎn)的承載受力。梁柱連接節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度為梁端彎矩與梁柱相對轉(zhuǎn)角（弧度）的比值[2]，在純彎作用下可忽略螺栓的作用[3]。

在工程實(shí)際中，鋼管在套管壓力作用下管壁的局部屈曲和的制造誤差等因素會(huì)造成接觸區(qū)域不明確，插接節(jié)點(diǎn)的材料、荷載、邊界條件和其它因素會(huì)直接影響內(nèi)外管間的接觸狀態(tài)，無法通過數(shù)值計(jì)算方法精確模擬節(jié)點(diǎn)的實(shí)際情況。然而由于鋼材具有彈塑性，插接節(jié)點(diǎn)內(nèi)外管的初始接觸狀態(tài)對節(jié)點(diǎn)的整體性能影響并不大，只要保證插接套管的加工精度，節(jié)點(diǎn)在彎矩作用下甚至可以忽略初始缺陷[4]。所以本文采用理想節(jié)點(diǎn)模型，對插接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行修改有限元計(jì)算分析。首先假定插接節(jié)點(diǎn)域內(nèi)外鋼管之間完全緊密接觸，并且初始狀態(tài)下應(yīng)力為0。這種理想假定模型忽略了問題的次要矛盾，方便研究節(jié)點(diǎn)變形情況和受力機(jī)理。

本文采用有限元分析計(jì)算軟件ANSYS，對插接節(jié)點(diǎn)的抗彎剛度進(jìn)行分析，通過改變插接節(jié)點(diǎn)中插芯的插接長度，來討論插接長度對插接節(jié)點(diǎn)抗彎剛度的影響。

1 、計(jì)算模型的建立

使用ANSYS的Workbench界面，相比于常用的classical經(jīng)典界面，其可視化操作及荷載、接觸等的設(shè)置都較為方便，對于本文涉及到的問題可以很好的實(shí)現(xiàn)有限元模擬。

1.1 幾何模型

如圖1所示，上下方形鋼管截面尺寸為 200mm×200mm×10mm， 長 度 為2000mm，插接處存在20mm的間隙；內(nèi)插套管為長寬180mm的方形鋼管，其長度為插接長度2Lp與外管間隙20mm之和，Lp與外管邊長D的比值分別為1.1、1.3、1.5和1.7，計(jì)算研究不同插接長度對插接節(jié)點(diǎn)變形的變形的影響。為了比較分析理想插接節(jié)點(diǎn)與貫通鋼管節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系，同時(shí)計(jì)算貫通管在相同荷載下的變形。

圖1 插接節(jié)點(diǎn)幾何模型

1.2 單元和材料

單元類型采用Workbench默認(rèn)的高階實(shí)體單元soild186。solid186單元通過20個(gè)節(jié)點(diǎn)來定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)平動(dòng)自由度，分別沿xyz方向。solid186具有空間各向異性，超彈性，單元支持塑性，應(yīng)力鋼化，蠕變，大應(yīng)變和大變形能力。

插接內(nèi)外方形鋼管材料均為Q345鋼材，材料本構(gòu)關(guān)系采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型模擬，簡化為理想彈塑性，詳細(xì)參數(shù)見表1。

表1

1.3 約束和加載

約束插接節(jié)點(diǎn)外方管底部截面的三方向位移，在頂部施加單方向彎矩，計(jì)算研究插接節(jié)點(diǎn)在純彎荷載作用下的彎曲變形，即通過節(jié)點(diǎn)模型頂端的側(cè)移y與節(jié)點(diǎn)長度l的比值y/l（相對轉(zhuǎn)角）來描述。外加彎矩M根據(jù)節(jié)點(diǎn)屈服彎矩My分不同的比例加載，研究插接長度與荷載大小的關(guān)系。節(jié)點(diǎn)屈服彎矩My=Wyfy，其中Wy為計(jì)算截面繞y軸的彈性抗彎模量，fy為鋼材的屈服強(qiáng)度，即345MPa。

1.4 接觸方式

Workbench中共有5種接觸類型，其中有摩擦接觸、粗糙接觸和無摩擦接觸這三種接觸可允許接觸面之間發(fā)生分離，為非線性接觸。本文插接節(jié)點(diǎn)接觸類型采用有摩擦接觸，根據(jù)參考文獻(xiàn)[5]計(jì)算。由于摩擦系數(shù)對插接節(jié)點(diǎn)的彎曲變形影響并不明顯，因此按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）中關(guān)于高強(qiáng)度螺栓摩擦型計(jì)算方法中連接面抗滑移系數(shù)μ的取值，對采用鋼絲刷清除浮銹或未經(jīng)處理的干凈軋制表面，取摩擦系數(shù)為0.35。

2 、插接長度對節(jié)點(diǎn)抗彎剛度的影響

插接長度的大小直接影響著內(nèi)外管間的接觸面積，在荷載作用下內(nèi)外管間通過接觸面互相傳遞內(nèi)力，達(dá)到共同抵抗外荷載的能力，即表現(xiàn)為抗彎剛度的大小。圖2為插接節(jié)點(diǎn)在純彎作用下不同插接長度對變形的影響，其中貫通是理想連續(xù)節(jié)點(diǎn)，作為插接節(jié)點(diǎn)剛度的比較參考。

圖2 節(jié)點(diǎn)插接長度對彎曲變形的影響

在相同的外加彎矩作用下，插接節(jié)點(diǎn)的相對轉(zhuǎn)角要大于貫通桿件，這說明插接節(jié)點(diǎn)的抗彎剛度要小于相同截面的連續(xù)桿件。隨著插接長度的增加，插接節(jié)點(diǎn)的抗彎剛度逐漸增大，但其對抗彎剛度的影響程度逐漸減小。另外從上表還可以看出，外加荷載的大小也與插接長度對節(jié)點(diǎn)抗彎剛度的影響程度有關(guān)，當(dāng)外加彎矩M取值以節(jié)點(diǎn)屈服彎矩的50%時(shí)為界，當(dāng)小于50%時(shí)M/My與相對轉(zhuǎn)角基本上呈線性關(guān)系，當(dāng)大于50%時(shí)則出現(xiàn)不同程度的非線性關(guān)系。觀察計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)其主要是因?yàn)椴褰庸?jié)點(diǎn)的內(nèi)外管出現(xiàn)屈服的現(xiàn)象，如圖3，為插接長度Lp=1.5D時(shí)，屈服彎矩作用下插接節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布云圖。觀察也可證實(shí)本次模擬中使用的接觸達(dá)到了預(yù)期效果，內(nèi)外管間出現(xiàn)分離現(xiàn)象。切面應(yīng)力云圖

圖3 Lp/D=1.5插接節(jié)點(diǎn)在屈服彎矩下的剖

結(jié)論：

插接節(jié)點(diǎn)的抗彎剛度比貫通桿件小，但隨著插接長度的增加，插接節(jié)點(diǎn)的抗彎剛度弱化程度呈現(xiàn)降低趨勢。在實(shí)際工程中插接長度可按Lp=1.5D取值，即可滿足插接節(jié)點(diǎn)的使用需要。

[1]張鳳杰,劉旭.考慮接觸影響時(shí)鋼管結(jié)構(gòu)套管插接節(jié)點(diǎn)承載力的數(shù)值分析[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,12(5):91-96.

[2]程顯鋒.半剛性節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度及其影響[J].山西建筑,2009,35(23):48-50.

[3]羅烈,高雙喜.插接式單管塔整體變形的有限元分析、簡化計(jì)算及試驗(yàn)對比[J].結(jié)構(gòu)工程師,2009,25(3):34-39.

[4]羅烈,盧玲.單管鋼塔理想插接節(jié)點(diǎn)的抗彎剛度研究[J].特種結(jié)構(gòu),2009,26(2):31-35.

[5]羅烈,涂望龍.單管塔插接連接節(jié)點(diǎn)抗彎剛度的試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu),2013,43(S1):431-435.