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1、第十九届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年K 形、K K 形方圆管节点静力性能的研究文冲( 棒圳市建筑馒计研究总院棒圳5 1 8 0 3 1 )武振宇【喑尔滨工业大学土术工程学院哈尔滨1 5 0 0 9 0 )提要本文应用材料非线性和几何非线性有限元方法，对弦杆有轴压作用下直接焊接K 形，麒形间骧方圆管节点的静力性能进行了系统的分析首先建立典型节点并通过对其受力全过程的分析掌握了茸形和形方圆管节点的变形模式、应力分布状况及塑性区分布规律等特性，然后考察了主要的几何参数j 盱节点静力性能的影响规律，研究参效有鼻、r ，r 、一，小t ，得到了一些春助于结构设计的结论关键词方圆臂节点K
2、 形母点麟形节点极限承载力1 前言安全、美观和经济的特点使空心管结构在建筑工程中应用日益广泛“l ，对称闭口的截面形式和较大的截面惯性半径使其在抵抗压、弯、扭方面均具有优越的性能，另外管结构光滑的外表面可以更好的抵抗风、水、波载的作用m 。在众多的管节点形式中，由圆管支杆和方管弦杆组成的方圆管节点表现出一些优良的特性，如加工成本低、不易发生应力集中、抗疲劳性能好等，然而目前对这种节点的研究仍未成熟，尤其是对方圆相贯空间节点的研究，国内尚属空白。这已经限制了此类节点的推广和应用，因此本文应用有限元方法对弦杆有轴压作用的K 形和呱形间隙方圆管节点的静力性能进行了分析，通过对模型的变形模式及荷载位移
3、全过程曲线进行研究，得到了这些节点的失效模式、刚度、极限承载力等静力特性，以及几何参数对节点性能的影响规律2 有限元分析2 1 建模与加载本文根据工程中常用的尺寸建立了K 形节点基本模型”1 ：弦杆截面为口1 0 0 X 3 衄，支杆截面为0 4 0 X 2 叫，支弦杆夹角口，：4 5 。间隙宽度F 3 0 m m ，弹性模量点吃0 6 X 1 0 5 N r a m 2 ，泊捡比p = O 3 。钢材屈服强度= 3 a , S M P a 。轴压系数n - - - 0 4 ，不考虑支、弦杆连接处焊缝影响，忽略弦杆方管的内外圆角，计算简图如图1 所示；典型I ( 形节点取支杆平面问夹角毋- -
4、 9 0 。，其它参数与K 形节点相同，参见图2 。，为实现图1 所示的K 形节点计算简图，首先在每个支杆端部加封一块厚而刚的端板，刘冲，男，i 钟i g 4 出生，工学震士7 1 3 第十九届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年：! 竺么竺警当毖磊焉圈1K 形节点计算简田圈2K K 形节点计算简田田3K 形节点有限元模型田4l c 】c 形节点有限元模型圈 2 2 分析方法选用四结点弹塑性壳单元对节点进行分析，考虑几何非线性和材料非线性，材料的本构关系采用理想弹塑性模型，对其进行大应变分析。网格划分时采用了多密度结合的方法，即在受力情况复杂的支、弦杆交汇处进行较细密的网格划分，单元
5、边长为3 1 0 m ，而在距此位置较远处将网格逐渐变得稀疏。选用稀疏矩阵直接求解器，并通过N e w t o n - R a p h s o n 平衡迭代方法结合弧长法来帮助稳定求解3 节点受力性能分析3 1 变形、失效模式图5 、6 分别为弦杆有轴压的K 形和K K 形节点在达到极限承载力时的变形图，从图中可见两种节点的变形有相似的特点：弦杆壁面在与压支杆连接处凹陷，在与拉支杆连接处凸起而分别与它们相邻的未与支杆相交的管壁向相反方向变形，节点发生弦杆表面塑性失效此种破坏模式也是弦杆有轴压间隙型节点最为常见的失效模式。( 注：为便于观察，图中变形均放大为原值的2 倍。)表1 、表2 分别给出
6、了K 形和K K 形节点受力至破坏过程中有限元分析得到的Y o n - M i S e S折算应力的分布及塑性发展过程。7 1 4 第十九届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年田5K 形节点变形田田6K K 彤节点变形图表1K 形节点塑性发展过程压支杆轴力札塑性发展过程描述V o n - M i s c s 应力分布图 ( 1 d q )此时轴向压力施加完毕，弦杆大部分表面应力均匀分布只有支弦杆相贯线附近爱两支杆间 P = 0 隙处应力略大原因是弦杆受压后，主杆在与弦杆相交处截面受到挤压，并对弦杆产主反作用在弦杆右端施加均布力，使支杆端部产生被彰P 霉o 1 8动荷载后，首先在与压支
7、杆趾部相交出弦杆壁面出现屈服点并逐渐向四周发展弦杆壁面出现屈服点后，塑性区在弦杆上翼缘继续扩大并越过弦杆转折处发展三弦杆腹 P 俨= o 6 4 板。拉、压支杆间隙处形成张拉场，J j 匕时弦杆表面有可见的变形弦杆上翼缘及腹板均大面积屈服并向支杆发展节点达到极限承载力荷载位咎曲线的极P f P f 、值点1 节点在出现屈服点、经内力重舟布直至破坏的过程中，塑性性能得到充分发展，具有报大的强度储各7 1 5 第十九届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年表2K K 形节点塑性发展过程压支杆轴力c 塑性发展过程描述V o n - M i s 应力分布图 ( I d q )此时轴向荷载施加完
8、毕，弦杆大部分表面应P - - O力均匀分布只有支弦杆相贯线附近及拉，压支杆间隙处应力略太。原因与K 形节点完全相同在弦杆右端施加均布力，使支杆端部产生被动荷载后，节点在易发生应力集中的弦杆壁面转 P P u = O 2 4 角及支弦杆相交处首次出现屈服点并逐渐向四周发展弦杆壁面出现屈服点后，塑性区在弦杆与支杆相交的两个壁面上继续扩太并越过弦杆转折P P , , = O 8 2处发展至另外两壁面，拉、压杆间隙处已形成张拉场弦杆表面有可见的变形出现，但支秆上应力仍很小弦杆的四个板面均大面积屈服并向支杆发展，节点达到极限承载力( 荷载位移曲线的极值 P 擅一1点) 节点在出现屈服点至失效的过程中，
9、塑性性能得到充分发展，具有很大的强度储备4 节点参数分析K 形、I 【l ( 形间隙方圆管节点的基本形状和参数如图7 、图8 ，其主要几何参数有：弦杆宽度和高度厶、厶( 文中节点主管均为方管，岛? 厶) ；压、拉支弦杆宽度综合比卢- 、，z分别等于d 岛、吐岛；弦杆壁厚岛通过定义弦杆宽厚比，r ( r = 西D 矗) 来考虑；支杆壁厚“通过定义支弦杆壁厚之比r ，( r J ：白南) 来考虑；两支杆与弦杆间夹角口，、口：( 除特殊注明外，文中口均为4 5 。) ；支杆间隙尺寸毋空间节点中支杆平面间夹角毋；分析采用的节点参数详见表3 7 1 6 第十九届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 6
10、 年 一e x 一鼍-圈7x 形间隙方脚管节点田sK K 形问隙方圆管节点表3K 形、K K 形节点承载力随参数变化分析表K KK K 节K 话节K 形 形节形节 点窖F 节点点暑口t节点卢r J点口r 点 编)C 度)趾编( m m )( 度)几 且 号号( 哪 ( 1 ( k N )l0 450 43 3306 74 54 2 1 43 08 31 20 45 00 43 330 54 52 9 7 42 04 920 41 0O 43 330 6 74 53 87 62 69 51 3O 45 00 43 33I4 53 0 J S2 0S 730 42 00 43 3306 74 53
11、 40 l2 2 6 61 40 45 0043 330 6 73 03 70 72 63 840 43 00 43 330 6 74 53 16 62 I2 l1 50 45 00 43 3 30 6 76 02 l4 01 4 4 250 45 00 43 33O6 74 52 99 62 06 71 605 00 3 3314 54 03 03 44 560 1 0 0043 3306 74 52 85 92 1 1 71 70 65 00 43 33l4 51 7 9 21 5 4 470 41 5 0043 3306 74 52 97 82 15 71 80 43 00 62 50
12、7 54 53 74 12 97 980 45 0063 3306 74 53 7 0 42 8S 31 90 44 0062 507 54 56 6 3 05 2 9 790 45 0083 3306 74 55 3 j 25 07 92 00 46 0O 62 507 54 51 4 841 1 9 01 00 45 004 2 506 74 55 05 l3 6 2 82 l0 48 0O 62 50 “4 52 6 5 62 1 191 i0 45 0041 6706 74 51 0 l77 9 4 02 20 4I 加0 62 507 54 55 9 754 7 6 9洼：表中脒节点
13、1 8 ，2 0 - 2 2 的弦杆宽度分别为7 5 u 、1 5 0 u ，2 0 0 叫、3 0 0 _ 之外其泉节点均采用弦杆宽度为1 0 0 _ 的方锕臂；H 形节点垂角均为9 0 4 1 支杆直径与弦杆宽度比芦，本文研究压支杆与拉支杆直径相同( 芦l = 鼻2 ) 的情况，图9 所示为参数，不同时一些节点的荷载位移曲线，可见K 形与K K 形节点的强度、刚度均随芦，的增加而有规律的增大。4 2 弦杆宽厚比，由图1 0 可见，随着r 增加，K 形、I ( I ( 形节点的强度和刚度降低。且当1 6 7 r 2 5 时节点承载力降低较快4 3 支弦杆壁厚比r ，随着r ，的增大，K 形、
14、l c l ( 形节点的强度和刚度无明显变化，参见图1 1 。7 1 7 -第十九届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年j # 柱位移- )图9，变化时节点的荷载位移曲线46B1 01 2 位咎6 _ )r 变化时节点的荷载一位移曲线026I1 01 202 位移( - )位薯钿O图1 3量变化时节点的荷载位移曲线7 1 8 第十九届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年4 6 轴压系数7由图1 4 可见，弦杆受轴压作用后，K 形、麟形节点的荷载位移曲线一般会出现下降段。轴压系数口越太，节点的刚度越小、到达极限承载力时节点的变形越小。宝 鞭田1 4n 变化时节点的荷载位移曲线
15、田1 5 o 变化对1 0 0 P v l 0 0 2 的影响4 7 尺寸效应的影响由量纲分析法可知，舒为此类节点的相似准数，本文对弦杆宽度岛分别为7 5 n 、l O O u 、1 5 0 m 、2 0 0 口r 、3 0 0 m 的节点1 6 2 0 ( 同比例缩放) 进行了分析，图1 5 表明1 0 0 只舒随弦杆宽度岛的变化曲线近似为常数，根据相似原理，所研究的K 形、l ( 1 【形节点彼此相似，故在研究诸参数对弦杆有轴压节点强度比的影响时，可不再探讨尺寸效应的影响5 结论及建议( 1 ) 节点通常在支杆趾部附近的弦杆壁面首先出现屈服点并向周围发展，最后发生弦杆表面塑性失效，多数节点
16、具有较强的塑性变形能力和较高的强度储备。( 2 ) 直接焊接方圆管节点的静力性能受各几何参数的影响规律与方管节点类似。其中改变，、I ，、月对节点性能的影响较大作用在弦杆上的轴向压力不但降低了节点处塑性铰线的承载力、破坏了节点拉压支杆间的张拉场，其自身更像是在弦杆上施加的预压应力。使节点易于发生弦杆失效。参考文献1 J 九P a c k e r ，J E H e n d e r s o n ，J J C a o 空心管结构连接设计指南科学出版社，1 9 9 72 武撮宇直接焊接钢管节点静力工作性能的研究哈尔滨建筑大学工学博士学位论文3 刘冲直接焊接K 形，K K 形间隙方圆管节点静力性能的研究哈尔滨工业大学，2 0 0 5 7 1 9 童一一一番一
