加勁肋厚度對(duì)焊接球節(jié)點(diǎn)承載力的影響分析
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戴俊輝1，蘇英強(qiáng)2，仝書敬2，王留成2，俞福利2
（1．浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程分院，浙江紹興312000；2．浙江精工鋼結(jié)構(gòu)集團(tuán)有限公司，浙江紹興 312030）
[摘要]目前加勁肋厚度對(duì)焊接空心球節(jié)點(diǎn)性能影響的研究不多，至今沒有一部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范明確提出加勁肋厚度對(duì)焊接球節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度的影響大小。如何經(jīng)濟(jì)、安全地選取加勁肋厚度是值得思考的問題。為有效評(píng)估加勁環(huán)板厚度對(duì)焊接球承載力的影響，運(yùn)用有限元軟件ABAQUS建立帶肋焊接空心球節(jié)點(diǎn)模型，提出焊接空心球內(nèi)部加勁肋的構(gòu)造壁厚取值方法，同時(shí)研究了在受壓和受拉情況下，不同加勁肋厚度對(duì)焊接球承載力的影響。
[關(guān)鍵詞]鋼結(jié)構(gòu)；焊接球；加勁肋；承載力；影響分析
[中圖分類號(hào)]TU391 [文章編號(hào)]1002-8498(2016)08-0097-06
焊接空心球節(jié)點(diǎn)具有連接簡捷、受力合理的優(yōu)點(diǎn)，是國內(nèi)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最為廣泛的節(jié)點(diǎn)形式之一。在空間網(wǎng)架及網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中，如希望焊接球節(jié)點(diǎn)具有更大的承載力，設(shè)置加勁肋無疑是最有效的措施之一。然而過多的加勁肋會(huì)帶來造價(jià)的增加和鋼材的浪費(fèi)�！犊臻g網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ7-2010（以下簡稱網(wǎng)格規(guī)程）在5.2.8條僅規(guī)定了焊接球內(nèi)加勁板厚度不應(yīng)小于球壁的厚度，實(shí)際工程中通常取與空心球的壁厚相同。
同時(shí)，網(wǎng)格規(guī)程給出了焊接空心球節(jié)點(diǎn)承載力的計(jì)算公式，對(duì)于加肋空心球，當(dāng)僅承受軸力或軸力與彎矩共同作用但以軸力為主且軸力方向和加肋方向一致時(shí)，其承載力可乘以加肋空心球承載力提高系數(shù)，受壓球取1.4，受拉球取1.1。
目前加勁肋厚度對(duì)焊接空心球節(jié)點(diǎn)性能影響的研究不多，至今沒有一部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范明確提出加勁肋厚度對(duì)焊接球節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度影響大小。如何經(jīng)濟(jì)、安全地選取加勁肋厚度是值得思考的問題。
1 加勁肋板構(gòu)造取值方法
網(wǎng)格規(guī)程在5.2.8節(jié)提到：當(dāng)空心球外徑大于300mm，且桿件內(nèi)力較大需要提高承載力時(shí)，可在球內(nèi)加肋；當(dāng)空心球外徑≥500mm時(shí)，應(yīng)在球內(nèi)加肋。肋板必須設(shè)置在軸力最大桿件的軸線平面內(nèi)，且其厚度不應(yīng)小于球壁的厚度。
焊接空心球內(nèi)部肋板通常為環(huán)形加勁肋板，中心開孔大小為焊接球直徑的1/2~1/3，如圖1所示，在實(shí)際工程中，肋板厚度一般與球壁厚度相同。
江磊分析研究了加勁肋開孔大小對(duì)加肋焊接空心球節(jié)點(diǎn)受壓承載力的影響，分析結(jié)果表明：當(dāng)中心開孔滿足圖1要求時(shí)，加勁肋開孔大小對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力的影響十分微小，可以忽略不計(jì)，在實(shí)際工程中，為了節(jié)省鋼材的用量，加勁肋開孔大小通常取為D/2。
2 帶加勁環(huán)板的焊接球模型選取
2.1計(jì)算模型選取
工程中常用的薄壁球殼節(jié)點(diǎn)，桿件匯交方向任意、多樣，一個(gè)節(jié)點(diǎn)上常有空間多方位的桿件匯交，受力機(jī)理復(fù)雜。大量的試驗(yàn)研究表明，這種薄壁球殼節(jié)點(diǎn)在單向受力和雙向受力時(shí)，其破壞荷載接近。為了試驗(yàn)以及理論計(jì)算上的方便，且在保證工程精度的條件下，現(xiàn)行球殼承載力的設(shè)計(jì)計(jì)算公式均以單向受力為依據(jù)。本小節(jié)的分析節(jié)點(diǎn)均為單向受壓。
為了有效地評(píng)估加勁環(huán)板厚度對(duì)焊接球承載力的影響，本文選用D800×35，D600×30，D500×22，D450×20，D400×18和D300 x12 6種類型的帶肋焊接球進(jìn)行有限元模擬分析，加勁環(huán)板的厚度在構(gòu)造厚度和焊接球壁厚之間選取。焊接球的極限承載力模擬參照《鋼網(wǎng)架焊接空心球節(jié)點(diǎn)》JG/T11-2009，第6.1.1節(jié)焊接空心球的極限承載力試驗(yàn)方法一般采用單向拉、壓試驗(yàn)。單向試件如圖4所示，其中加肋焊接球上鋼管應(yīng)焊在加肋方向，圖中d為鋼管直徑，P為試驗(yàn)施加的作用力。
詳細(xì)的焊接球分析節(jié)點(diǎn)的幾何尺寸如表2所示。
2.2有限元分析
采用彈塑性線性強(qiáng)化的4折線應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線和等向強(qiáng)化的Von-Mises屈服準(zhǔn)則，考慮幾何非線性和材料非線性，模擬中不考慮焊縫和殘余應(yīng)力的影響，利用弧長法進(jìn)行全過程分析。計(jì)算模型的材料本構(gòu)關(guān)系按照試驗(yàn)中鋼管上應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系確定，鋼材的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖5所示，fu=470MPa, ε1=0.0011 , ε2=0.02, ε3=0.2, ε4=0.25,當(dāng)鋼材厚度≤16mm時(shí)，f y=345 M Pa；當(dāng)鋼材厚度>16mm時(shí),f y= 325MPa。
采用ABAQUS分析軟件，取足尺焊接球體和鋼管實(shí)體進(jìn)行分析，選取八節(jié)點(diǎn)線性六面體單元( C3D8)，網(wǎng)格劃分控制單元邊長，焊接球與鋼管交接附近縮小控制尺寸，獲得較高的精確度網(wǎng)格，網(wǎng)格最大尺寸控制在10~15 mm，荷載施加采用位移加載模式，通過提取支座處的豎向反力得到施加到管端部軸向力的數(shù)值，節(jié)點(diǎn)有限元模型如圖6所示。
由于有限元分析不存在試驗(yàn)安全的問題，計(jì)算采用的破壞荷載判斷準(zhǔn)則如下：材料強(qiáng)度方面，以鋼材應(yīng)變達(dá)到0. 25對(duì)應(yīng)的荷載為破壞荷載；屈曲穩(wěn)定方面，以荷載-位移曲線的峰值荷載為破壞荷載。
結(jié)構(gòu)破壞的判斷原則為：①球體變形達(dá)到球徑的1.2%時(shí)，認(rèn)為節(jié)點(diǎn)達(dá)到極限承載力；②當(dāng)試驗(yàn)的荷載-位移曲線荷載增量( k N)與平均位移增量( mm)之比，即某點(diǎn)的切線斜率≤1%時(shí)，認(rèn)為節(jié)點(diǎn)達(dá)到極限承載力，并取前一次所加荷載作為破壞荷載。以上兩條判斷標(biāo)準(zhǔn)有一條達(dá)到，即可認(rèn)為達(dá)到破壞荷載。
3不同加勁環(huán)板厚度對(duì)焊接球承載力影響的有限元分析結(jié)果
3.1有限元分析結(jié)果與網(wǎng)格規(guī)程計(jì)算值比較
通過試驗(yàn)和有限元模擬對(duì)比分析所得到的破壞荷載除以試驗(yàn)檢驗(yàn)系數(shù)與網(wǎng)格規(guī)程計(jì)算值
之比最接近，證明了網(wǎng)格規(guī)程中計(jì)算公式的準(zhǔn)確性。
表3給出了受壓焊接空心球極限承載力的有限元結(jié)果與網(wǎng)格規(guī)程公式計(jì)算值的比較。
從表3可見，對(duì)于D450×20，D500×22，D600×30和D800×35直徑較大焊接球，有限元計(jì)算結(jié)果比規(guī)程計(jì)算結(jié)果偏大，其中最大誤差為12. 46%，設(shè)計(jì)偏于安全。對(duì)于D300×12和D400×18小直徑焊接球，除D400×18（加勁板厚度18mm）外，其余焊接球節(jié)點(diǎn)的有限元計(jì)算結(jié)果均小于規(guī)程計(jì)算結(jié)果，最大誤差為- 12. 87%，設(shè)計(jì)偏于不安全。
圖7給出不同加勁板厚度下D800×35，D600×30,D500 x22,D450×20,D400 x18和D300×12 6種焊接球有限元結(jié)果的對(duì)比。各類焊接球受壓承載力隨加勁板厚度的變化如表4所示。
從圖7中可以看出，焊接空心球節(jié)點(diǎn)的受壓承載力隨內(nèi)加勁板厚度的增加而增大，但增大的幅度很小，例如D800×35焊接球，加勁板厚度從35mm變化到25mm時(shí)，節(jié)點(diǎn)承載力減小4.51%。
3.2驗(yàn)證焊接球節(jié)點(diǎn)分析結(jié)果
為證明3.1節(jié)中結(jié)論的普遍性，本節(jié)選取D450×16和D600×20兩類焊接球，材質(zhì)均為Q345，加勁肋厚度分別選擇12，16mm和14，20mm。其中12mm和14mm分別為兩類球的構(gòu)造厚度。
圖8分別給出了不同加勁板厚度下，D450×16和D600×20兩類焊接球有限元結(jié)果的對(duì)比。
從圖8中可以看出，當(dāng)球內(nèi)部加勁肋厚度滿足構(gòu)造厚度要求時(shí)，加勁肋厚度對(duì)焊接球節(jié)點(diǎn)的承載力影響很小，且焊接球節(jié)點(diǎn)承載力均大于網(wǎng)格規(guī)程中的取值，設(shè)計(jì)偏于安全，因此，焊接球內(nèi)部加勁板厚度可以按照文中提到的構(gòu)造厚度選用。
3.3 受拉焊接球節(jié)點(diǎn)分析結(jié)果
以上小節(jié)分析了6類焊接球在單壓狀態(tài)下的極限承載力，選用相同的研究手段，本小節(jié)主要研究D400 x18~D800×35 5類焊接球節(jié)點(diǎn)在不同加勁板厚度下的受拉承載力變化，其中加勁板厚度分別取為構(gòu)造厚度和焊接球等壁厚2種。為得到焊接球節(jié)點(diǎn)在受拉狀態(tài)下的承載力，在有限元模擬中適當(dāng)?shù)丶哟箐摴艿谋诤�，確保最終破壞是球節(jié)點(diǎn)的破壞。
破壞的判斷準(zhǔn)則：材料強(qiáng)度方面，以鋼材應(yīng)變達(dá)到0. 25對(duì)應(yīng)的荷載為破壞荷載；屈曲穩(wěn)定方面，以荷載-位移曲線的峰值荷載為破壞荷載。以上兩條判斷標(biāo)準(zhǔn)有一條達(dá)到，即可認(rèn)為達(dá)到破壞荷載。
表5給出了受拉焊接空心球極限承載力的有限元結(jié)果與網(wǎng)格規(guī)程公式計(jì)算值的比較。從表中可以看出，焊接空心球節(jié)點(diǎn)的受拉承載力隨內(nèi)加勁板厚度的增加而增大，有限元計(jì)算結(jié)果比規(guī)程計(jì)算結(jié)果偏大較多，設(shè)計(jì)偏于安全。同時(shí)可以看出，加勁板厚度的變化對(duì)焊接球節(jié)點(diǎn)承載力的影響較小，承載力隨加勁板厚度增加而提高的最大幅度為4. 75%。
圖9分別給出不同加勁板厚度下，D800×35,D600×30,D500×22, D450×20, D400×18 5種焊接球有限元結(jié)果的對(duì)比。
2)有限元分析結(jié)果表明，對(duì)于外徑≥450mm的帶肋焊接空心球，當(dāng)球內(nèi)部加勁肋厚度滿足構(gòu)造厚度要求時(shí)，加勁肋厚度對(duì)焊接球節(jié)點(diǎn)的承載力影響很小，且焊接球節(jié)點(diǎn)承載力均大于網(wǎng)格規(guī)程中的取值，設(shè)計(jì)偏于安全，因此，焊接球內(nèi)部加勁板厚度可以按照文中提到的構(gòu)造厚度選用。
3)對(duì)于外徑< 450mm的空心球，由于有限元模擬及相關(guān)試驗(yàn)得到的極限承載力均小于網(wǎng)格規(guī)程的取值，設(shè)計(jì)偏于不安全，因此，焊接球內(nèi)部加勁板厚度建議按照規(guī)程規(guī)定，肋板厚度與球壁厚度相同。
