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新型插入式网壳结构节点压弯性能分析

发布于:2020-12-23 13:22:36 来自:建筑结构/钢结构工程 0 198

来源:工业建筑

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作者:李云峰 王孟鸿



以下文章来源于钢结构 ,作者李云峰 王孟鸿




作者:李云峰  王孟鸿

河北建筑工程学院土木工程学院

北京建筑大学

摘 要

毂型节点连接是空间单层网壳结构主要的节点连接形式之一。对空间单层网壳结构进行模拟仿真分析时,连接节点通常按刚性节点处理,杆件除承受轴力外,还承受较大的弯矩,但是目前相关规范对此类结构尚无设计方法。采用理想弹塑性应力-应变关系和von Mises屈服准则、同时考虑几何非线性与接触非线性的影响,建立了毂型节点的有限元模型,对其在轴力与弯矩共同作用下的受力性能进行了大量非线性有限元仿真计算,进而得出极限弯矩与极限轴力对节点极限承载力的影响。

嵌入式毂型节点的应用开发由来已久。我国自20世纪80年代自主研发相关嵌入式节点,形成相关装配式节点体系。铝合金毂型节点的应用开发均起源于北美发达国家,目前在美国、加拿大、巴西及中东等地均已有了大量的工程实际应用。我国目前已有相关规范,其中JGJ 7—2010《空间网格结构技术规程》已明确规定了嵌入式毂节点的相关计算式及使用条件,JG/T 136—2016《单层网壳嵌入式毂节点》中对于毂型节点的具体尺寸要求又进行了进一步地细化和总结。


目前,国内外对于网壳结构节点连接性能的研究主要集中于纯轴力或纯弯曲状态下的极限承载力。相关文献提出了用毂型节点颈部最小截面处的承载力来代替毂型节点的承载力,从而简化了计算方法。提出了一种新型网壳结构毂型节点,并对其受压承载力进行了相关的试验研究和有限元模拟计算,给出了节点受压承载力的计算式及相关改进措施。采用焊接空心球节点,对其在轴力和弯矩共同作用下的承载力进行了研究,提出了现有网壳规程折减考虑弯矩对节点承载力的影响仅在小弯矩的情况下合适。]通过大量模拟,得出极限弯矩与极限轴力关系曲线,当支管轴力与主管轴力比值小于0.5时,节点承载力与单向作用时差别不大。


a—空间结构;b—节点。
图1 电力系统引入节点


本文研究的毂型节点是电力系统引进并已经应用在实际工程中的一种节点形式,如图1所示。然而,节点受力性能尚不明确,特别是抗弯性能。以空间网壳结构毂型节点为研究对象,本文节点与现有相关规范中毂型节点略有不同,主要在于:1)杆件选用方钢管便于盖板直接放置,节省檩条。2)杆端采用直接压扁成型,避免传统焊接工艺的繁琐。该节点安装方便,适用性强。为了研究其受力性能,利用有限元软件ANSYS建立了毂型节点模型,首先分别计算出毂型节点极限弯矩和极限轴力,运用接触单元模拟毂体与杆件的面-面接触,研究了弯矩和轴力共同作用下毂型节点的承载力。

1

节点的极限弯矩和极限轴力

1.1 节点的有限元模型

毂型节点在受力时,其杆件首先发生变形,从而引起毂体变形。杆件、节点的材料均为Q235B,屈服强度为235 MPa。钢材弹性模量为2.06×105 MPa,泊松比为0.27。杆件与毂体均采用20结点的Solid 95单元模拟,见图2。为了尽量精确地模拟出材料的非线性,本文采用了多线性随动强化模型(MKIN)来模拟钢材的本构关系,见图3。材料遵循von Mises屈服准则及相关的流动准则。


图2 节点处整体网格划分

图3 材料本构关系模型


在求解过程中,利用施加位移荷载和力荷载来综合模拟加载情况,求解时激活大变形效应和应力刚化效应。


已有研究表明,网壳节点在单向受力和双向受力时,其破坏荷载较为接近,JGJ 7—2010中的计算式以单向受力试验结论推导而成。因此本文以单向受力为依据,取1/2、1/4毂体及相应钢管进行分析,在对称面上取对称边界条件。

1.2 承受轴压或纯弯作用的节点

在考虑轴力和弯矩共同作用的节点前,先考虑节点分别在轴压和纯弯两种极限情况下的承载力。在分析节点的承载力时,共分析了9组节点,依据实际工程的常用节点,取节点几何参数变化范围为:毂体直径为150~335 mm,毂体高度为300~360 mm。


取有代表性的3组为例,毂型节点的极限轴力与极限弯矩有限元模拟结果如表1所示,为下文的综合受力提供基础。


表1 节点极限承载力

2

承受轴力与弯矩共同作用的节点

2.1 接触行为的建立

为了模拟毂体与杆件连接处的受力情况,选用接触单元Conta 174与Targe 170,二者配合使用,适用于3D结构的接触分析。接触面在开始相互滑动之前,其界面上可承受一定的剪应力,这种状态称为黏合状态。接触面的抗滑移系数参考规范JGJ 7—2010中紧固件连接章节内容。

2.2 节点的受力分析

节点采用力与位移综合加载方式,模型节点采用杆件边长为120 mm,壁厚为6 mm的方钢管;毂体直径为300 mm,高度为240 mm,其加载模型如图4所示。节点在综合受力作用下的应力及纵向位移如图5所示。可以直观地看出:节点最大应力、最大位移均出现在毂体上。

a—三维;b—剖面。
图4 轴力和弯矩共同作用下的模型

a—应力;b—纵向位移。

图5 轴力和弯矩共同作用下应力及纵向位移示意

2. 3 ANSYS计算与分析

弯矩-轴力相关曲线如图6所示,该节点的弯矩-轴力曲线近似于一条直线。该直线与纵坐标的交点即为极限轴力,与横坐标的交点即为极限弯矩。极限状态下,不同轴力弯矩的点均匀分布在此直线周边,因为采用拟合处理,不规则的特殊点不考虑。通过此直线可以看出,随着弯矩的增加,极限轴力不断减小,轴力与弯矩成反比的关系。

图6 弯矩-轴力相关曲线


为了更好地分析不同毂体与杆件组合情况下,节点的弯矩-轴力曲线,本文选取3组不同尺寸的方钢管,对其进行分析。将压弯荷载作用下,有限元分析所得到的极限弯矩 M 与轴力 N 数值,分别与纯弯作用下的极限弯矩 M ′、纯压作用下的极限轴力 N ′相比,得其比值,即 η N = N / N ′, η M = M / M ′。通过比值的方法,将轴力与弯矩无量纲化,更好地比较不同轴力弯矩作用下节点承载力关系。无量纲轴力-弯矩相关关系如图7所示。

图7 无量纲轴力-弯矩相关关系


由图7可见,节点在3种不同尺寸的杆件与毂体的条件下,其轴力-弯矩曲线近乎相同,均类似于图6弯矩-轴力相关曲线。但是,在接近纯弯节点,点的分布不规律,为此,图7 无量纲轴力-弯矩相关关系仅截取到 η N =0.2, η M =0.8区间的点。在横坐标值 η M 取0~0.8之间时, η N - η M 近似于直线关系。随着 η N 的增加, η M 不断减小。二者与前文提到的轴力与弯矩关系一致,均成反比关系。

3

结束语

本文采用有限元软件 ANSYS,建立了毂型节点的有限元模型,进行了非线性有限元分析,并分析计算了连接节点抗压承载力与抗弯承载力,得出节点极限承载力。


运用接触单元考虑摩擦系数,对节点进行综合受力模拟。变换杆件与节点参数,通过极限荷载比值法进行了对比分析,进一步说明了节点在极限状态下,随着弯矩的增加,极限轴力不断减小,轴力与弯矩成反比的关系。

来源:李云峰, 王孟鸿. 新型插入式网壳结构节点压弯性能分析[J]. 钢结构, 2019, 34(6): 54-56.

doi: 10.13206/j.gjg201906010

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