空腹钢管桁架内加劲节点抗弯承载力参数分析

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1、第七届全国现代结构工程学术研讨会空腹钢管桁架内加劲节点抗弯承载力参数分析闫澍(同济大学建筑工理最．上每200092)摘要以节点效率为衡量准则，利用有限元软件ABAQus分析了5个节点几何参数对卒腹钢管桁絮内加劫节点抗弯承载力的影响，根据已有的试验观钡j，提出了5种破坏模式及其对应的、能被数值分析利用的判断原则，融此判断节点的极限承载力。研究结果表明．腹杆与弦杆的塑性截向模量相差越大，节点敉牢越高，即参数变化引起腹杆学性截面模量减小或弦杆塑性截而模量增大时，则节点效率提高：反之．节点效率降低。关键词：空腹钢管桁架节点，内加劲，节点效率，参数分析一、引言在空腹桁架(Vierendcel桁

2、架)(图1)中，节点往往承受较大的平面内弯矩作用¨I。在许多此炎工程中。工程师出于对建筑美观性和建筑高度的考虑，不得不减小杆件截面尺寸，因此，必须通过对节点加强的方式达到满足设计荷载的目的。管节点的加强方式多种多样”l，其中在弦杆内设置加劲板件的加强式节点因具有美观可靠的优点得到了建筑师和工程师的青昧。虽然工程界引‘对该类型的T型矩形钢管相贯节点已建立了节点抗弯承载力公式⋯，但是截至目前，我国规范ul针对该形式加劲节点的抗弯承载能力尚无规定。国内外学者已针对加劲肋的参数进行了一系列研究”l【月”“”【8l，其对T型内加锄节点的研究成果均表明，加劲节点的承载力较无加劲节点有大幅提高，然

3、而针对节点参数对节点效率(即甜．。，％，)的影响的报道还未见到。因此本文利用有限元软件ABAQuS对弯矩作用下T型矩形管内加劲节点的节点效率进行了初步的单参数分析，希望可以为以后的丁作奠定基础。二、参数的选择图1空腹桁架(vierendeel桁架)T型内加劫矩形钢管节点主要几何参数的定义如图2。为了简化分析，本文认为内加劲肋在弦杆高、宽方向宽度一致，均为0．2倍弦杆宽度，内加劲肋厚度取为与腹杆壁厚等同。为忽略边界条件的影响，取fo，h0=10，fI，6l_5。综合考虑相应无肋节点抗弯承载力公式及前人成果，确定主要的几何参数包括：腹杆与弦杆的宽度比p=h／‰，腹杆高宽比6=&I，6I，

4、弦杆高宽比乒％，％，弦杆宽厚比如；％／岛，腹杆宽厚比T1=h，fl。此5个参数确定了弦杆与腹杆的相对关系，再加上考虑节点尺寸绝对值影响因素弦杆宽度幻，节点就被唯一确定下来。各参数变化范围参照文献【2]【3】取定，覆盖了工程常用的全部范围。工业建筑2007增刊篁主星全望里垡笙塑三堡堂查堕盟叁fihPl：!l-二：i掣图2节点几何参数图3有限元模型的加载简图三、有限元模型的建立(一)边界条件及加载方式．弦杆两端设置为固定端，在腹杆端部设置刚性板加载头。考虑到实际结构中腹杆内往往存在一定的轴力．因此设定腹杆轴压比为0．2。加载方式为先施加腹杆轴力N，达到预定的轴压比后，再施加腹杆端头水平剪

5、力P以产生节点弯矩，见图3。由于腹杆长度为其宽度的5倍，计算得到的腹杆根部截面的剪应力很小，其对节点抗弯承载力的影响可以忽略。(二)材料性能和求解计算模型材料按照文献【91材性试验结果确定，屈服强度fy=401MPa，极限强度fIl=568MPa，伸长率23％，材料屈服咀后强化段的模量近似取为初始弹性模量的l％。为节约计算成本，模型取半结构，见图4。数值模拟时采用壳单元s8R5，以弧长法迭代求解进行计算分析。(a)节点整体的有限元模型(b)加劲肋的有限元模型图4节点的有限元模型四、T型内加劲节点的有限元分析(一)极限承载力判断原则根据文献[9】的研究成果．本文提出以下5种破坏模式用以

6、判断节点达到极限承载力，见表1。其中，破坏模式∈3)(4)为控制模式，即一旦达到该破坏模式之一，便认为节点破坏；破坏模式(1)(2)(5)为非控制模式，观测结果表明此破坏发生后，节点承载力仍可保持或小幅提高。因此，对数值模拟T型内加劲矩形钢管节点平面内抗弯极限承载力判断原则为：破坏模式(3)或(4)发生时的最小值为节点的抗弯极限承载力；破坏模式(3)和(4)均不发生时．取有限元计算结果的最大值，并与破坏模式(1)(2)(5)发生的荷载值进行比较，判断其是否发生。工业建筑2007螬刊13871I—川⋯日^mm崩如第七届全国现代结构工程学术研讨会表l破坏模式和判断原则编号破坏模式数值分析

7、L}

8、的判断原则腹杆根部全截面进入l根据腹杆截面性质计算判断塑性2腹杆根部局部屈曲根据有限元结果中腹杆受压翼缘测点沿腹杆轴线方向应变关乐判断3弦杆变形准则采用Yu住转角陬值80^，刮⋯1腹杆根部截面受拉翼缘角点沿腹杆轴线方向应娈是否达到和科中向极1j}{拉4焊缝破坏应变Ⅲ(本文取e。F=0．18)．5节点域剪切破坏规程⋯1公式计算值(二)单参数分析为考察各个参数对节点承载力的影响，分黝对各个因素进行了单参数分析。’具体方法是取二§列模型(保持弦杆宽度％匐0