第22卷 第5期 2(}07年 山东建筑大学学报 JOURNAL OF SHANDONG JIANZHU UNIⅦRSnY Vo1.22 No.5 0ct.20【 l0月 文章编号:1673—7644(21)3"/)05—0380—07 弦杆弯折对圆钢管节点抗弯承载力的影响分析 陈誉,彭兴黔,陈荣淋 (华侨大学土木工程学院,福建泉州362021) 摘要:对弦杆为折杆的圆钢管T型相贯节点平面内抗弯极限承载力研究的必要性和国内外目前的研究现状作了简 述。对该类节点的平面内抗弯承载力破坏准则做出了定义。通过弦杆为直杆的T型节点平面内抗弯承载力有限元 计算结果与《空心管结构连接设计指南》计算值比较,认为可以利用经过试验验证的板壳有限元方法进行弦杆为折 杆的T型节点平面内抗弯极限承载力分析。研究结果表明,随弦杆弯折角度中值的增大节点抗弯极限承载力增大, 弯折角度30 ̄以内可以忽略由于弦杆弯折带来的节点抗弯承载力提高。通过单参数分析各参数对平面内抗弯承载力 的作用趋势和影响大小。在一定的几何参数条件下,节点抗弯承载力大于杆件抗弯承载力。 关键词:T型圆钢管相贯节点;直杆;折杆;平面内抗弯承载力;有限元分析 中图分类号:TU392.3 文献标识码:A Analysis for fold chord effect on the moment resistance of CHS unstifened T—joints CHEN Yu,PENG Xing—qian,CHEN Rong—lin (CoHege of Civil Engineering,Huaqiao University,Qua/ ̄otl,362021,China) Abstract:Brief introduction was made about the necessity of he rtesearch on in-plane bending ultimate capaciy tofCHS unstifened joints w fold chord and the research status in quo both home and abroad.Definition Was presented of the failure criteria on in—plne bendiang ultimate capaciyt of CHS T-joints.Comparing FEA results wih the caltculated value of CIDECT of in-plne baending ultimate capaciy of tT-type CHS wih sttraight chord, analysis Was made for in-plane bending ultimate capacity of CHS with fold chord by using FEA validatd by ejoints experiment.Research result showed that th increasing,bending ultimate capacity of joints increased, nd ianclination of chord effcte on in-plne baending ultimate capaciy coultd be neglcted ief inclination degree itwhin 300.Analyzed is the effect of geometrical parameters on in-plane bending ultimate capacity.Bending ul- timate capaciyt of joints is larger thn tahat of brace members under certain geometrical parameters conditions. Key words:unstiffened CHS T-joints;straihtg chord,fold chord;in—plne baending ultimate capaciy;ftinite el- ement analysis 0引言 相贯节点这种连接形式由于节点形式简单、外 收稿日期;2007—01一o4 观简洁、节省钢材、不需要增加节点用钢、便于与 其它结构形式相结合等优点已经在许多大型钢管结 构中采用。由于建筑功能或者使用功能不允许布置 基金项目:福建省科技重大专项资助项目(2005YZ1016);福建省自然科学基金计划资助项目(E0510022);华侨大学科研基金资助项目 (07BS201);福建省青年科技人才创新项目(2007F3065) 作者简介:陈誉(1978一),男,湖北荆州人,华侨大学土木工程学院讲师,工学博士,主要从事钢结构研究. 维普资讯 http://www.cqvip.com 5 誉等:弦杆弯折对圆钢管节点抗弯承载力的影响分析 381 支撑斜杆,vierendeel桁架已经广泛应用于大跨度空 间结构。实际工程中vierendeel桁架经常在边跨处 出现弦杆弯折的情况,如图1所示。其中,弦杆一端 保持水平,另一端弯折,腹杆保持竖直。由于节点 本身构造不对称,在承受腹杆轴力时弦杆连接面处 的受力性能与弦杆为直杆T型节点有很大区别。 《钢结构设计规范》(GB50017--2003)…和《欧洲钢结 构设计规范》(Eurocode3) 给出了弦杆为直杆的圆 钢管T型节点腹杆承受轴力的节点极限承载力计算 公式,并未给出弦杆为折杆的圆钢管T型节点的极 限承载力计算公式。文献[3]提出可以把这种节点 看作一个搭接K型节点,弦杆被假想延长,转折的 弦杆被看作被搭接的腹杆来进行仅承受杆件轴力作 用的强度计算,然而这种简化方法缺乏足尺钢模型 节点的试验验证或系统深入的有限元分析,同时也 不能计算节点的抗弯极限承载力。文献[4—7]针对 圆钢管K型节点进行了系统的试验研究和有限元 分析,并得出了实用的计算公式,但目前尚未见文 献对弦杆弯折T型节点抗弯极限承载力进行系统的 研究。随着计算机技术的迅猛发展和有限元程序的 改进,有限元模拟试验的可能性和准确性大大提 高,本文首先将有限元方法进行试验校验,然后应 用有限元方法进行考虑材料非线性和几何非线性的 节点性能计算,分析了弦杆弯折以及各几何参数对 T型圆钢管相贯节点平面内抗弯极限承载力的影 响。 ‘ 、 厂 图1 vierendeel桁架中边跨处弦杆弯折T型节点 1抗弯承载力有限元分析 1.1节点设计 有限元分析中的模型节点的钢材采用Q345, 屈服强度 =345N/nⅡn2,弹性模量E=2.06×105N/ n1m2,切线模量E。=2.06×103N/n1m2。材料非线性 模型采用双折线型,不考虑残余应力。节点建模采 用8结点弹塑性壳单元sheH93,单元每个节点有6 个自由度,位移模式为二阶,该单元具有大挠度小 应变的特点,能较好的模拟钢管节点的受力特性。 对模型试件施加荷载时不考虑自重影响。模型网格 划分采用智能自适应划分,在节点域做加密处 理。 1.2影响参数 本文考虑影响参数时取反映节点几何特性的物 理量,取以下4个参数作为弦杆为折杆的T型节点 抗弯承载力的控制参数 ]: ,y, ,r,各参数的意 义见图2。参考《空心管结构连接设计指南》|3 (以 下简称《指南》)中给出的弦杆为直杆的平面T型圆 钢管相贯节点在静力作用下平面内的抗弯极限承载 力的计算公式,并考虑到腹杆壁厚对抗弯承载力的 影响比较小,腹、弦杆壁厚比r取为中间值0.6。这 些参数唯一确定了弯折弦杆与腹杆的相对关系,但 未反映节点尺寸这一绝对因素的影响。因此取d 为决定节点绝对几何尺寸的因子,图2弦杆为折杆 T型节点参数示意图只要d。和以上参数给定,节点 就被唯一确定下来。 图2弦杆为折杆T型节点参数不意图 1.3正交设计 由于此类节点承载力的影响参数及参数的取值均 较多,本文采用了正交试验设计方法设计计算模型。 表1列出了该类T型节点正交模型各个参数的取值范 围,基本涵盖了规范允许的参数范围。表2列出了节 点正交模型各个参数的具体取值,其中弦杆外径取定 值do=400ram,倒角半径r大于3d0=121Drmn。 1.4抗弯承载力的定义 节点抗弯承载力准则: (1)弦杆表面局部沿腹杆方向局部变形(弹性 变形+塑性变形)达到弦杆直径的3% 9 J,有限元分 析时局部变形值取为腹杆与弦杆相贯线上所有节点 维普资讯 http://www.cqvip.com
建鲤 兰 报 20O7年 局部变形的平均值。图3表示了该准则的轴力一变 形曲线。该准则也称为欧拉变形准 ̄1|(Yum)。 表1 节点可变几何参数取值范围 3%do 6 图3节点Yura破坏准则的力一变形曲线 (2)主管在支主管汇交处完全进入塑性(用 Mises屈服准则来判断,以下均同),即主管塑性区域 刚贯通,如图4所示 m 。该准则也称为塑性区域贯 通准则或者PZC准 ̄l|(Plastic Zone Connection)。 图4节点PZC破坏准则应力云图(1VIPa) 有限元计算中,满足以上2条准则之一,即认为 已达到节点平面内抗弯承载力。 1.5边界条件、荷载处理 弦杆两端为完全固定支座,腹杆端部为自由端。 同时在腹杆顶端设置刚性板,把腹杆上作用的弯矩 平均分配到刚性板上的节点上,以消除应力集中对 计算结果的影响。 1.6分析手段 对T型相贯节点正交模型采用商用有限元AN. SYS进行数值分析,由于弦杆为折杆T型节点两个 方向的位形不同,故对节点进行几何非线性与材料 非线性计算,考查在两个方向弯矩作用下承载力的 差别,与下弦为直杆的T型节点抗弯承载力比较,确 定倾角 在什么角度范围内可以忽略弦杆倾斜带 来的节点承载力的变化,节点受正向弯距(逆时针弯 距) 与负向弯距(顺时针弯距) 作用示意图 见图5。最后比较并对计算结果进行单参数分析, 考查各参数对弦杆为折杆T型节点抗弯承载力影响 趋势以及影响大小。 厂、 + M 图5节点承受 +和 一作用示意图 2有限元分析结果 2.1有限元分析模型及其试验验证 本文运用有限元软件ANSYS 6.1对节点进行抗 弯性能分析。节点建模采用8结点弹塑性壳单元 shell93,每个结点6个自由度,包括3个线位移自由 度和3个角位移自由度。节点材料采用具有刚度强 化的弹塑性模型,弹性模量E为2.06×105N/mlTl2, 切线模量为G为E/100,屈服强度取相应的材性试 验数据。 有限元模型中的荷载取法同试验模型,在加载 杆件上施加水平力。有限元模型的约束条件为:在 维普资讯 http://www.cqvip.com
5 ;夔枉变折对圆钢管节点抗弯承载力的影 383 下弦杆两端拉耳的孔内施加径向约束和轴向约束。 性阶段而言试验曲线与有限元曲线基本吻合。试件 节点的有限元网格划分见图6。 2 2 1 进入屈服后有限元计算的腹杆悬臂端水平位移值△ 1 ∞ 大于试验值,可能的原因是:∞ 0 实际结构中弦杆和腹杆 是通过焊缝连接,有限元模型没有完全模拟可能导 致节点区抗弯刚度比实际情况小。 试验结果和有限元分析结果基本上是互相吻合 的,有限元计算和试验研究两种分析方法得到的结 果是可以互相验证的。 2.2弦杆为直杆T型节点 为验证有限元边界条件、荷载处理以及抗弯承 图6 T型节点有限元模型 载力准则的适用性,将正交模型中弦杆为直杆模型 一 利用有限元方法计算的抗弯承载力与《指南>的抗弯 承载力计算值进行比较。模型1~3以PZC准则为 藿 破坏准则(即最先达到这种破坏模式),模型4~9以 霸5 Yura准则为破坏准则。从表3可以看出弦杆为直杆 * J 一 I 的T型节点平面内抗弯承载力有限元计算结果与 ,l—-一讽越但I 《指南>相差不大,认为可以继续利用确定的边界条 . .件、荷载处理方式以及抗弯承载力准则进行弦杆为 腹杆悬壁端位移 /mm 折杆的T型节点的平面内抗弯承载力分析。弦杆为 折杆T型节点由弦杆为直杆T型节点的在腹杆与弦 图7试件节点水平荷载卜腹杆悬臂端水平位移A曲线 杆相交处弦杆弯折得到,腹杆与水平的弦杆保持垂 有限元和试验值的对比见图7,在进入弹塑性 直,从节点构造和制作而言都比较接近弦杆为直杆 阶段后腹杆悬臂端水平位移△的有限元计算结果 T型节点,与弦杆为直杆的Y型节点相差比较大,故 大于试验值,其中试验测得的腹杆悬臂端水平位移 在下文有限元分析和计算公式中将该类节点与弦杆 是扣除刚体整体位移后的值。从图中可以看出就弹 为直杆T型节点进行比较。 表3弦杆为直杆T型节点平面内抗弯承载力有限元结果与指南比较 2.3弦杆为折杆T型节点受正向弯矩 +作用 力与相应的弦杆为水平T型节点相比提高大于 弦杆为折杆T型节点受正向弯矩作用的破坏准 29%, 在30 ̄以下时承载力最多提高仅5%。同时 则与相应的弦杆为水平T型节点相同。从表4可知 所有弦杆为折杆T型节点正向抗弯承载力均大于相 当 达到45。时弦杆为折杆T型节点正向抗弯承载 应的弦杆为直杆节点的杆件抗弯承载力。 维普资讯 http://www.cqvip.com
山东建筑大学学报 2007年 3如通过对正交试验数据简单计算,在表5每一列 的下面分别列出K。,K。, , , , 以及r,它们 的计算方法如下: Kl =39+204+536=779 K2 =16+85+203=304 =表5弦杆为折杆T型节点正向抗弯承载力因素分析表 9+42+119=170.00 式中:K。 , , 分别表示因素y取水平1,2,3即 10,20,30相应的试验结果之和。为了比较因素y 不同水平对抗弯承载力的影响,而引入K值: 等: :260 _2 :鲁: :101 K3 :譬: :57 。 :一为直观起见,用因素的水平作横坐标,指标的平 均值作纵坐标,画出因素与指标关系图如图8。单 指标正交分析可知J9和 值越大弦杆为折杆T型 节点正向抗弯极限承载力越大,y值越大承载力越 小,r取为200oinln时正向抗弯极限承载力最大。随 弯折角度 值的增大节点正向抗弯极限承载力增 大,其原因是 值的增大节点使得腹杆与弦杆连接 表面积也增大,节点刚度提高,导致沿相贯线的应力 分布也愈均匀。 式中:K。 , , 分别表示因素y相应水平的平均 正向抗弯承载力。其余两列的 , , , , , 值的计算方法与第一列的计算方法相同,计算结 果填人表5。 言 至 曦 静 因素关系 图8各因素与抗弯承载力关系图 维普资讯 http://www.cqvip.com
第5期 陈誉等:弦杆弯折对圆钢管节点抗弯承载力的影响分析 385 极差R可由各列 , , 数字中的大数减去 力与相应的弦杆为水平T型节点相比提高大于 29%, 在30。以下时承载力最多提高仅9%。同时 所有弦杆为折杆T型节点负向抗弯承载力均大于杆 件抗弯承载力。弦杆为折杆T型节点受负向弯矩作 用下的因素分析同上一节受正向弯矩作用分析方 法。从表7进一步的单指标正交分析可知 和 小数而求得,),列的计算方法如下:R,=K ,一 , :260—57=203。极差R的大小反映了试验中各因 素作用的大小,极差大表明这个因素对抗弯承载力 的影响大,通常为重要因素;极差小表明这个因素对 抗弯承载力的影响小,通常为次要因素。依极差大 小可以得出: 对正向节点抗弯承载力的影响最大, 其次是),,然后是r,最小影响因数是 。 值越大弦杆为折杆T型节点负向抗弯极限承载力越 大,),值越大承载力越小,r取为2000mm时正向抗 2.4弦杆为折杆T型节点受负向弯矩 作用 弯极限承载力最大。 对正向节点抗弯承载力的影 弦杆为折杆T型节点受负向弯矩作用的破坏准 响最大其次是),,然后是r,最小影响因数是 。随 则与相应的弦杆为水平T型节点相同。从表6可知 弯折角度 值的增大节点负向抗弯极限承载力增 当 达到45。时弦杆为折杆T型节点负向抗弯承载 大,其原因同承受正向弯矩作用。 表6弦杆为折杆T型节点负向抗弯承载力M 一比较 肼 为依据边缘屈服准则计算的腹杆杆件抗弯承载力 表7弦杆为折杆T型节点负向抗弯承载力因素分析表 3弦杆为折杆T型节点平面内抗弯极 限承载力计算公式 本文利用非线性有限元手段设计对参数进行了 分析,确定了各主要参数与节点承载力之间的关系, 并参考《钢结构设计规范》和《欧洲规范》的节点承载 力公式,提出了弦杆为折杆T型节点平面内抗弯极 限承载力计算公式: 腹杆在管节点处的平面内抗弯承载力设计值 由表4和表6可知弦杆为折杆T型节点负向抗 .应按下式计算: 弯承载力 一大于或者等于正向抗弯承载力 +。 r 6.09 。m dit f 0≤30" 由于 对正向和负向节点抗弯承载力的影响最大, Mr. 6.09矿舵 30"≤0≤45。 ’ 故在 值较大时,节点负向抗弯承载力明显大于正 。 、/sin口 向抗弯承载力。 式中: 为弯折腹杆与水平腹杆轴线之夹角; 为 维普资讯 http://www.cqvip.com 山 参数, n=1—0・3 一0・3( ) ,当节点两侧或者 一侧弦杆受拉时,取 =1; 为弦杆钢材的抗拉、 抗压和抗弯强度设计值。 4结论 (1)弦杆为直杆的T型节点平面内抗弯承载力 有限元计算结果与《指南》相差不大,认为可以继续 利用确定的边界条件、荷载处理方式以及抗弯承载 力准则进行弦杆为折杆的T型节点的平面内抗弯承 载力分析。 (2)弦杆为折杆T型节点受正负向平面内弯矩 作用的破坏模式与相应的弦杆为直杆T型节点相 同。弦杆为折杆T型节点负向抗弯承载力均大于其 正向抗弯承载力。弦杆倾角 在30 ̄以内时可以忽 略由于弦杆弯折带来的节点承载力的提高。 (3)弦杆为折杆T型节点的平面内抗弯承载力 与决定几何外形的参数——腹杆与弦杆的直径比 ,腹杆半径与壁厚比y,折杆倾角 以及倒角半径 r有关。卢和 值越大弦杆为折杆T型节点平面内 抗弯极限承载力越大,y值越大承载力越小,r取为 200Omm时抗弯极限承载力最大。卢对正向节点抗 弯承载力的影响最大其次是y,然后是r,最小影响 因数是 。 芏兰塑 至 (4)在一定的几何参数条件下,弦杆为折杆的 圆钢管T型相贯节点平面内受弯破坏模式属于杆件 破坏而非节点破坏。 参考文献: [1]GB50017--2003,钢结构设计规范[s]. 【2 J BS EN 1993・l・8,&lroc0de3:design 0f steel蚰 c岫,part1—8:de. singdjo ̄ES]. [3]Packer J A,Henderson J E,Cao J J.空心管结构连接设计指南 [M].北京:科学出版社,1997.122—123. [4]陈誉,赵宪忠,陈以一,等.平面K型圆钢管搭接节点有限元参 数分析与极限承载力计算公式[J].建筑结构学报,2006,27(4): 30—36. [5]赵宪忠,陈誉,陈以一,等.平面K型圆钢管搭接节点静力性能 的试验研究[J].建筑结构学报,2006,27(4):23—29. 【6] a0 X Z,Chert Y Y,Chert Y.Experimental study∞01,erI印ped CHSK—jointswith hidden8e日m unwdd[A].Proc.0fthe1lhtInteT. national Symposium and I]W International Ccmfel ̄Tubular St1]lc一 [C].Lofldolfl:Taylor&Francis GIDup pie,2006.125—132. [7]陈誉.平面K型圆钢管搭接节点静力性能研究[D].上海:同济 大学,2006.3—78. [8] 王伟,陈以一.圆钢管相贯局部刚度的参数公式.同济大学学报 [J].2003,31(6):515—519. [9]Wardenier Jaap,l(.1mb8ne Yoshiaki,Packer J A.Design guide " ci112Mllfrhollow∞cti.mjoints under predominantly st cloading[M]. Nethedand:W ̄lagTu ̄4w.inland Press,1991.33—34. [1O]张峰.钢管相贯节点抗弯承载力及内加劲环的设置对其性能 影响的分析[D].上海:同济大学,2003.33—60
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