椭圆钢管T型节点应力集中系数分析_张正琦.pdf

第 卷 第 期 年 月大连交通大学学报 文章编号：（）椭圆钢管 型节点应力集中系数分析张正琦，程高，柳玉，张之恒（陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南；长安大学 公路学院，陕西 西安；陕西省公路桥梁与隧道重点实验室，陕西 西安；旧桥检测与加固技术交通行业重点实验室（西安），陕西 西安）摘 要：为预测椭圆管节点的疲劳性能，优化节点构造设计，以椭圆钢管 型节点为切入点，采用数值模拟方法分析了长轴长轴、长轴短轴、短轴短轴 种可能的连接形式在支管轴拉、面内弯曲和面外弯曲作用下节点的热点应力位置和应力集中系数，同时分析了管壁厚度对应力集中系数的影响。结果表明：进行椭圆钢管节点热点应力试验测点应重点布置于鞍部；在支管轴拉、面内弯曲和面外弯曲作用下，管壁厚度越小，应力集中系数越大；从节点的抗疲劳性能和经济性出发，面外受弯时，建议椭圆钢管节点构造设计以长轴长轴为主，轴拉和面内受弯时，建议以短轴短轴为主。关键词：管结构；椭圆钢管；型节点；应力集中系数；有限元分析文献标识码：椭圆钢管造型新颖，富有细长美感，截面圆滑无棱角，越来越受到建筑师的青睐。从建筑的角度来看，椭圆比圆形和矩形更有优势，更能营造出造型优美的视觉感受；在结构受力方面，椭圆截面有强轴和弱轴之分，便于调整截面尺寸从而满足受力要求。除此之外，椭圆还具有良好的流体力学性能，可有效减少水流和风对结构的冲击作用，在桥梁、海洋平台、机场、地铁站及展览馆等结构中逐渐得到推广应用。近年来，椭圆管节点的研究主要集中于管节点静力性能研究。刘永健等基于屈服线和冲剪破坏模型，对矩形管管节点和板管节点发生两种破坏模式的支主管宽度比 的适用范围进行理论分析，给出了屈服线和冲剪综合破坏的承载力计算方法，为椭圆管节点的研究提供了参考；孙波等认为目前国外对于椭圆钢管的研究主要关注单个构件的受力性能，对于椭圆钢管结构节点性能及椭圆钢管混凝土柱性能的研究将会成为重点；陈娟等通过对钢管混凝土 型相贯节点的试验和有限元分析得到钢管内填混凝土可有效降低节点应力集中系数且使得应力趋向均匀；等进行了、型椭圆管节点受压承载力试验，重点研究了 种不同的支管主管连接形式的节点承载力、破坏模式和主管局部变形量，结果发现短轴短轴节点形式承载力最高，节点变形最小，椭圆管节点的承载力和破坏模式与矩形管节点更为接近；等进行了 型轴拉和轴压作用下椭圆管节点强度试验，指出 型节点受拉承载力高于受压承载力，并在试验基础上，提出了椭圆管节点有限元模拟方法，进行了 型轴拉和轴压作用下椭圆管节点强度的大量参数分析，分别将其椭圆管节点等效为圆管节点和矩形管节点，并给出了相应的管节点强度计算公式；等在 等人的基础上采用有限元法分析了高温作用下椭圆、型节点的承载力，通过大量参数分析，对比了椭圆管节点承载力计算公式的适用性；程高等分析了界面状态对椭圆钢管混凝土轴压短柱的受力影响，得到了混凝土受力和仅钢管受力模式下界面状态显著影响椭圆钢管混凝土轴压短柱的力学性能的结论。管节收稿日期：基金项目：中国博士后科学基金资助项目（）；陕西铁路工程职业技术学院科研基金资助项目（）第一作者：张正琦（），男，讲师。：大连交通大学学报第 卷点存在应力集中现象，在循环荷载作用下，节点区域易形成微小的疲劳开裂，最终导致节点破坏。节点的抗疲劳性能是椭圆节点设计的一项必要内容，而应力集中系数是评估结构疲劳寿命一个非常重要的指标，但目前尚缺乏这方面研究工作。为此，本文采用数值模拟的方法对 型椭圆管节点应力集中系数展开研究，分析长轴长轴、长轴短轴、短轴短轴 种连接形式在支管轴拉、面内弯曲和面外弯曲作用下节点的热点应力位置和应力集中系数，同时分析管壁厚度对应力集中系数的影响，从而为其节点设计提供一定参考。试件设计 针对椭圆钢管 型节点应力集中现象，本文研究不同的 型节点连接形式及厚度对其性能的影响。在文献设计的 类 型节点的基础上，本文设计椭圆钢管 型节点受力试件，其中 类基准 型节点的构造尺寸及材料参数与文献一致，主、支管壁厚为 ，钢材的屈服强度 均为。采用热点应力法分析 型节点的疲劳性能，需要先确定热点出现的位置，文献给出了圆形钢管节点热点可能出现的位置和相应的应力集中系数的计算公式。参考圆形钢管节点的热点位置，本文假设椭圆形钢管节点热点位置在靠近鞍点两侧及冠点，、点为冠点位置，、点为鞍部位置，试件参数见表，类试件构造形式及热点位置见图。表 试件参数试件编号()()注：为主管截面宽度；为主管截面宽度；为支管截面宽度；为支管截面高度；、为主、支管长度。图 试件构造形式及热点位置 数值模拟 类椭圆钢管 型节点在支管受拉、支管面内受弯、支管面外受弯 种受力状况下，考虑管壁厚度分别为、时对节点应力集中系数的影响，建立共计 个模型。种受力形式下结构强度和变形处于弹性工作状态，故模型中不需要考虑材料非线性和几何非线性。（）钢材本构关系 模型中钢材的本构关系采用的是线弹性应力应变关系，钢材的弹性模量为，泊松比取。（）单元类型选取与模型网络划分 为了提高计算精度和效率，采用过渡网格划分，在 型节点连接构造处加密网格，网格尺寸约为管厚的一半，整体网格划分见图。基于 软图 整体网格划分 第 期张正琦，等：椭圆钢管 型节点应力集中系数分析 件，钢管采用 节点缩减积分的壳单元模拟。（）边界条件 主管、支管与端板均采用绑定约束，在端板中心分别设置参考点、并与端板进行耦合连接，约束参考点、在、方向的平动自由度和转动自由度。根据受力需要，对参考点 施加集中荷载，所加集中荷载依据文献给出的支管轴拉、面内受弯及面外受弯的计算公式计算：（）()()()()（）()()()()（）式中：为椭圆截面周长；为截面厚度；其余参数已在上文中提及，此处不再赘述。结果分析 热点出现的位置验证 利用 软件提取垂直于焊缝方向的应力，通过观察比较可验证 类椭圆钢管 型节点热点出现的位置与前文假设是否一致。此处热点应力值取为垂直于焊缝方向的最大应力而非最大主应力。为提取垂直于焊缝方向的最大应力值，本文通过在 软件中设置材料的方向性质提取 个垂直于焊缝的热点应力值，其中 点取沿主管长度方向 的应力值；点取主管任一截面边沿的切线方向 的应力值；、均取沿支管长度方向 的应力值。鉴于文章篇幅，本文仅给出钢管厚度为 时 类 型节点面外受弯时 与 方向的应力云图，见图。图 支管面外受弯应力云图（）通过应力云图分析可知，热点位置与假设一致。支管在面外受弯作用下，型节点 方向最大应力是 型节点的 倍，是 型节点的 倍；方向最大应力是 型节点的 倍，是 型节点的 倍，局部最大应力值远大于 和 型节点，应力集中现象更为显著。支管在轴拉和面内受弯作用下可得到类似结果。应力集中系数值的提取与分析 应力集中系数（）为最大局部应力与名义应力的比值，而设计构件名义应力为 ，故局部最大应力即为应力集中系数值。为减小计算误差，采用二次外推法拟合得到节点的热点应力集中系数。根据文献可知，外推范围在距节点，范围内，支管和主管的外推位置见表。大连交通大学学报第 卷表 二次外推范围距节点的距离主管支管鞍部冠部鞍部冠部，注：，；、分别为主管和支管的厚度；、取主管和支管长半轴与短半轴的均值（单位：）。种受力状况下，管壁厚度对各节点应力集中系数的影响规律基本相同，以壁厚 为例，分析不同荷载作用下集中系数，见图。（）支管轴拉（）支管面内受弯（）支管面外受弯图 不同荷载作用下应力集中系数 由图 （）和图 （）可知，轴拉荷载或面内受弯荷载作用下，型节点的鞍部和冠点应力集中系数相差不大。轴拉荷载作用下，和 型节点各自鞍部应力集中系数分别是冠点的 倍和 倍；面内受弯荷载作用下，和 型节点各自鞍部应力集中系数分别是冠点的 倍和 倍。由此可知，轴拉荷载或面内受弯荷载作用下，和 型节点的鞍部应力集中系数水平显著高于冠部。故而进行以支管轴拉或面内受弯为主的椭圆钢管节点热点应力试验时，测点应重点布置于节点鞍部位置，节点焊接时其鞍部焊缝质量要求应不低于冠部。轴拉荷载作用下，型节点鞍部应力集中系数分别是 和 型的 倍和 倍；面内受弯荷载作用下，型节点鞍部应力集中系数分别是 和 型的 倍和 倍。由此可知，在支管轴拉或面内受弯荷载下，型节点鞍部应力集中系数大于、型，抗疲劳性能相对最差，型节点应力集中系数最小，抗疲劳性能最佳，型节点次之。因此，在设计以支管轴拉或面内受弯为主的椭圆钢管构件时，从节点抗疲劳性能角度出发，应优先考虑 型节点，即短轴短轴节点。由图 （）可知，面外受弯荷载作用下，、和 型节点鞍部应力集中系数分别是冠点的 倍、倍和 倍，表明 类节点鞍部应力集中系数水平显著高于冠部，因此进行以支管面外受弯为主的椭圆钢管节点热点应力试验时，测点应重点布置于节点鞍部位置。面外受弯荷载作用下，型节点鞍部应力集中系数分别是 和 型节点的 倍和 倍。由此可知，在支管面外受弯荷载下，型节点鞍部应力集中系数大于、型，抗疲劳性能相对最差，型节点应力集中系数最小，抗疲劳性能最佳，型节点次之。因此，在设计以支管面外受弯为主的椭圆钢管构件时，从节点抗疲劳性能角度出发，应优先考虑 型节点，即长轴长轴节点。不同荷载作用下应力集中系数随钢管厚度变化见图。由图 可知，不同受力状况下管壁厚度对 种节点的应力集中系数值的影响规律一致：各热点应力集中系数均随管壁的增厚而减小。种节点均是鞍部应力集中现象最为严重，型节点较、型节点最为显著，以鞍部 点为例，以管壁厚度 的试件为基准，厚度分别增加到、，支管轴拉时，应力集中系数分别减小了、；支管面内受弯时，应力 集 中 系 数 分 别 减 小 了 、.、第 期张正琦，等：椭圆钢管 型节点应力集中系数分析 .；支管面外受弯时，应力集中系数分别减小了、。表明管壁越薄，应力集中系数增大越明显，型节点应力集中系数对钢材厚度更敏感，在同等抗疲劳要求下，型节点相比 和 型节点经济性更差。（）支管轴拉（）支管面内受弯（）支管面外受弯图 不同荷载作用下应力集中系数随钢管厚度变化 结论 （）进行椭圆钢管节点热点应力试验测点应重点布置于鞍部，节点焊接时其鞍部焊缝质量要求应不低于冠部，尤其是长轴长轴、长轴短轴节点，其鞍部附近应力集中系数远高于冠部。（）椭圆钢管节点以等宽形式连接，即长轴长轴和短轴短轴连接时其热点应力集中系数明显较不等宽节点小，抗疲劳性能相对优越。就等宽节点而言，从节点抗疲劳性能出发，支管面外受弯时，建议椭圆钢管节点构造设计以长轴长轴节点为主。支管轴拉或面内受弯时，建议椭圆钢管节点构造设计以短轴短轴节点为主。（）椭圆钢管可能的 类连接节点形式在荷载作用下应力集中系数均随管壁厚度增大而减小，型节点应力集中系数对钢材厚度更敏感，在同等抗疲劳要求下比 和 型节点经济性更差。参考文献：，：，：，：，（）：，（）：刘永健，姜磊，熊治华 矩形钢管节点屈服线和冲剪综合破坏模型 建筑科学与工程学报，（）：孙波，童乐为 椭圆钢管柱受压性能研究进展 建筑科学与工程学报，（）：陈娟，陈驹，金伟良 圆钢管混凝土 形相贯节点耗能机制研究 建筑结构学报，（增刊）：陈娟，聂建国，周成野 钢管混凝土 形相贯节点应力集中系数研究 建筑结构学报，（）：，（）：，：大连交通大学学报第 卷 ，（）：，：，（）：，：程高，张正琦，刘永健，等 界面状态对椭圆钢管混凝土轴压短柱影响分析 深圳大学学报（理工版），（）：刘慧亮 海洋平台管节点应力集中系数研究 大连：大连理工大学，空心管结构连接设计指南 北京：科学出版社，：，（，；，；，；，）：，：；