K形圆管节点承载力有限元分析

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引言

相对于正方形的箱型截面，钢管截面回转半径大，抗扭刚度大；整体与局部屈曲强度高；抗弯强度大，因此，在实际工程中得到广泛应用。但是，由于钢管节点处只能采用焊接，且圆管结构在轴向荷载作用下将产生较大的横向变形，导致与其连接的杆件产生附加内力，所以节点区域受力复杂。特别是对于使用全焊钢管桁架结构，节点处的设计结构的控制区域。由于缺乏相关研究，给我国设计者对于钢管桁架结构设计带来了极大的不便。因此在早期桁架桥梁多采用箱型截面。本文通过研究设计参数对圆管节点极限承载力的影响，为设计人员在对圆管桁架设计时提供必要的参考。

一、有限元模型

K形圆管节点如图1所示，底部是一个主管直径为16mm；上部的两个支管通过焊接与主管相连，支管直径为100mm。其中两个计算模型的主管的厚度分别为直径的1/10(16mm)和1/8(20mm)。有限元计算模型采用shell181壳单元，此单元有4个节点，每个节点在x，y，z坐标方向共有6个自由度。材料采用Q235钢，弹性模量E=2.05×105 N/mm2,泊松比ν=0.3，如图2所示，采用双折线理想弹塑性模型。边界条件如图3所示，支管端部均为固接。加载方式如图4所示：在主管两端施加轴向力，以最不利荷载的1/10为荷载步逐级施加直到结构破坏(即计算出现不收敛情况)。

图1 圆管节点

图2 双折线模型

图3 有限元模型边界条件

图4 加载方式

二、计算结果

使用ANSYS中APDL语言中的*do循环语言向主管的两端施加线压力，保存每个荷载步的计算结果。在计算到第39个荷载步时无法收敛。图5与图6分别为主管厚度为16mm时荷载步为25(即结构上的最大应力达到屈服应力)和荷载步为38(最大荷载步)。

图5 第25荷载步应力图

图6 第38荷载步应力图

由计算结果可以知道主管左端在均布荷载为500KN，右端在均布荷载为875KN时圆管节点出现屈服应力，在主管左端均布荷载为760KN，右端在均布荷载为1330KN时圆管节点达到最大承载能力。

当主管厚度为20mm时，在计算到第44个荷载步时无法收敛。图7与图8分别为荷载步为25(即结构上的最大应力达到屈服应力)和荷载步为44(最大荷载步)。

图7 第25荷载步应力图

图8 第44荷载步应力图

由计算结果可以知道主管左端在均布荷载为500KN，右端在均布荷载为875KN时圆管节点出现屈服应力，在主管左端均布荷载为880KN，右端在均布荷载为1540KN时圆管节点达到最大承载能力。

三、结论

经过对比可以看出，增加主管的厚度可以提高节点的极限承载能力，但是无法提高节点到达屈服时的承载能力。