矩形钢管混凝土桁架节点疲劳设计方法研究_图文

1、 图2.12XO,18节点的整体网格划分 图2.13XO.30节点的整体网格划分 图2.14XO一18节点相贯线处的网格划分 图2.15XO一30节点相贯线处的网格划分由于节点几何形状规则,因此在建立模型和进行网格划分时,主要采用拖拉面建立体模型和对体进行扫略网格划分。由于主支管相贯线的拐角处应力集中比较厉害,所以此处网格划分较密。为了保证主、支管在相贯线上的变形协调性,因此相贯线上网格划24 X0180.4519.73018.90123.31822.17018.05519.91512.5059.822 XO-200.520.15620.06623.50421.92817.79519.5751

2、2.2849.482 XO.250.62519.56919.29621.79518.85515.35216.3910.5307.573 X0.26O.6519.1818.56021.07717.86913.74415.42l9.9927.09 XO.300.7517.72114.37816.89513.1lO10.47810.9677.2945.171为了直观起见,将表2.2中各点随参数的应力集中系数值绘制成图,如图2.17图2.20。 图2.17A&E点应力集中系数比较 图2.18B点应力集中系数比较 图2.19c点应力集中系数比较 图2.20D点应力集中系数比较从图2.17图2.2

3、0可看出,基于现行SCF公式的计算结果表明,当取O.5O.6之间的某一中间值时,A、E两点的几何应力集中系数会达到最大值,在其左侧,则随卢的增大而增大,在其右侧,则随口的增大而减小:主管侧面的B、c和D点,SCF随的增大而减小。尽管采用两种方法所得的结果存在差异,但采用有限元法计算所得的SCF随呈现出的分布规律与采用现行SCF公式计算的结果一致,这也就说明矩形管节点模型及计算结果是可靠的。在实际工程设计中,节点相贯线上最大应力及“热点”位置都是我们要考虑的重要因素,所以以下绘出矩形钢管节点相贯线上的应力分布图。有限元计算结果表明,各节点相贯线上的应力分布均呈现出类似的规律,所以这里只给出部分节

4、点相贯线上的应力分布图(见图2.21和图2.22。由于对称性,应力图只绘出了矩形钢管节点表面相贯线的l/4部分(即图2.14和图2.15中的相贯线部分,横轴坐标原点表示图2.14和图2.15中的0点,左半横轴表示沿主管轴向的相贯线,右半轴则27表示垂直于主管轴向的相贯线。 图2.21XO-20节点相贯线上的应力分布图 图2.22X0-26节点相贯线上的应力分布图从以上图2.21和图2.22可以看出,最大应力发生在相贯线拐角点处,支管一侧应力大于主管一侧,并且沿主管轴向相贯线上的应力较垂直于主管轴向相贯线上的应力大。支管侧应力大于主管侧主要是因为:当支管轴心受力时,荷载由支管直接传给主管,支管轴

5、向刚度大于主管径向刚度,刚度越大,则反作用力越大,则应力也越大。另外,由于主管侧沿相贯线的刚度不同,所以主管侧沿相贯线的应力也不同。图中沿主管轴向相贯线上的应力较垂直于主管轴向相贯线上的应力大,说明主管侧沿主管轴向相贯线的剐度大于垂直主管轴向相贯线的刚度。2.4小结由于本文主要研究矩形钢管混凝土节点的疲劳性能,考虑到本课题未展开相关的试验研究,故矩形钢管混凝土节点的有限元计算结果缺乏可供验证的试验数据与之进行对2R 第三章矩形钢管混凝土节点的有限元分析l3.1矩形钢管混凝土节点有限元分析模型的建立,.,.。1。.t矩形钢管混凝土节点的有限元分析模型是在第二章中的矩形钢管节点主管全长范围内填入混

6、凝土单元所得,因此节点几何构造及参数、边界条件和坐标系均不变。假设内填混凝土等级为C40,有限元计算模型的混凝土材料参数为:E兰325×loloN/m2,u=0.17。矩形钢管混凝土节点有限元计算模型的简化同矩形钢管节点。混凝土采用SOLID65单元。该单元由8个节点定义,每个节点有三个自由度:节点坐标系的X、Y、Z方向的平动。所建立的混凝土模型具有断裂、.压碎、塑性变形和蠕变功能。图3.1是本单元的示意图_由于本次分析在弹性范围伪分析,假设混凝土与钢管之间粘结良好,无相对滑移,钢管与混凝土之间采用共结点的方式进行有限元计算。.:,.MYv乙w一图3.1sOLD65单元示意图为了便于

7、后续两种结构的矩形管节点有限元计算结果的对比,矩形钢管混凝土节点钢管部分的网格划分同矩形钢管节点。.:”:“。I、,.3.2矩形钢管混凝土节点有限元计算结果的处理原则。.1.、矩形钢管混凝土节点的几何应力集中系数同样采用二次曲线外推到相贯线处的方法。其它数据处理原则同矩形钢管节蕉弋了王j囊.j节j:一;t3.3矩形钢管混凝土节点有限元计算结果jI一.一.一一一一.一.,一一一一.3.3.1节点相贯线附近表面特定位置处的应力分布,一!.-有限元计算结果表明,各矩形钢管混凝土节点相贯线附近表面特定位置处的应力分布均呈现出空管节点相应的应力分布规律,即在靠近相贯线的区域应力迅速升高,远离相贯线应力逐

8、渐衰减并趋于平缓,此处只给出了节点XC一30的各特定点的应力分布图,见图32图3.6。各应力分布图中的横轴坐标原点表示相贯线上的点,横轴表示距离相一,一.一贯线的长度,竖轴表示应力大小。 图3.2XC-30节点的A点相贯线附近的应力分布 图3.3XC.30节点的E点相贯线附近的应力分布 图3.4XC-30节点的B点相贯线附近的应力分布 图3.5XC.30节点的C点相贯线附近的应力分布?r、: 图3.6XC-30节点的D点相贯线附近的应力分布从支管侧A、E两点的应力分布图(即图3.2和图3.3可以看出,支管轴向应力(eP Y 方向应力分量与主应力曲线极为接近,这说明支管侧应力主要表现为轴向应力。

9、从图3.2图3,6可看出,除c点的应力分布m(ep图3.5外,靠近相贯线区域内的应力主要表现为垂直于相贯线方向的应力,远离相贯线区域内的应力则主要表现为平行于相贯线方向的应力。以上说明矩形钢管混凝土节点在相贯线附近的很小区域内最大主应力方向是垂直或几乎垂直于相贯线方向的,与空管节点的分布规律大体一致。3.3.2节点表面特定位置处SCF的有限元计算结果!表3.1给出了矩形钢管混凝土节点特定位置处SCF的有限元计算结果。表3.1矩形钢管混凝土节点特定位置SCF的有限元计算结果节点编号8A E B C D.XC.18O.451.6711.6620.7360.6910.710T 。XC.200.51.

10、6921.6790.746O.7030.716XC-250.6251.7371.715O.7650.72l O.726XC.260.651.7461.7200.7700.726O.728XC.300.751.7921.74l0.7280.73l0.658注:节点编号中的“XC”代表矩形钢管混凝土X型节点。从上表可看出:对于矩形钢管混凝土节点,几何应力集中系数明显降低,支管一侧的SCF均不大于2,而主管一侧均在1以下。同样,将表3.1绘制成曲线图以便于观察应力集中系数随参数P的变化规律,见下图3.7图3.11。 图3.7矩形钢管混凝土节点A点SCF分布图 图3.8矩形钢管混凝土节点E点SCF分布

11、图 图3.9矩形钢管混凝土节点B点SCF分布图 图3.10矩形钢管混凝土节点C点SCF分布图 图3.1l矩形钢管混凝土节点D点SCF分布图从上面A、E和c点的曲线图(即图3.7、图3.8和图3.10可看出,几何SCF随声的增大而增大,对于B点和D点(即图3.9和图3.11,在0.65附近,SCF有最大值,在其两侧则呈现出相反的变化趋势。以上计算结果说明,主管内填混凝土,各点的几何应力集中系数大大降低,应力集中现象明显降低。3.3.3节点相贯线上的应力分布有限元计算结果表明,各矩形钢管混凝土节点相贯线上的应力分布也呈现出类似的规律,所以此处仍只给出部分节点的相贯线上应力分布图,见图3.12图3.

12、14。 图3.12XC.18相贯线上应力分布图 图3.13(C.25相贯线上应力分布图 图3.14XC.30相贯线上应力分布图 的降低,在支管-N,砼管中的最大SCF大约是空管中的1/lo,且主管一侧较支管一侧的降低更大。说明主管内填混凝土可以很好地改善矩形钢管节点的应力集中现象。3.4.2节点相贯线上的应力比较由前面有限元分析表明,两种结构的矩形管节点相贯线上最大应力均发生在相贯线的拐角点上,相贯线上的最大应力也在我们的关心之内,因此,表3.3中给出了矩形钢管砼节点与矩形钢管节点相贯线上最大应力之间的比较情况。表3.3矩形钢管砼节点与矩形钢管节点相贯线上最大应力比较空心管(MP砼管(MPO&

13、#39;max,C(%HB支管主管正lIax6.H qtH qm6.C qn.C一侧一侧矩0.45107.5766.027.003.776.515.70形O.5102.1759.907.093.826.946.37管0.62593.5554.427.283.927.787.20节0.6590.3l52.437.313.948.107.5l点0.7584.0741.577.443.108.857.45注:表中crm。表示相贯线上最大应力,下标b和“C”分别表示支管侧和主管侧,下标“H”和“C”分别表示矩形钢管节点和矩形钢管混凝土节点。从上表看出,矩形钢管砼管节点相贯线上的最大应力较矩形钢管节点的

14、有明显下降;对矩形钢管节点,无论是支管一侧还是主管一侧,相贯线上的最大应力均随口的增加而降低:对矩形钢管砼节点,支管一侧的最大应力随声的增大而增大,主管一侧在为O.65处取最大值,在其两侧最大应力随口呈现相反的变化趋势。从砼管与空管对应项之间的比值来看,相贯线上最大应力主管侧降低的程度比支管侧降低的程度梢大。3.4.3节点变形比较 图3.15X0.25节点变形图图3.16XC一25节点变形图 图3.17XO一26节点变形图图3.18XC.26节点变形图图3.15图3.18显示了部分矩形钢管节点和矩形钢管砼节点的变形情况比较。为了很好的反映矩形钢管混凝土节点与矩形钢管节点之间的变形差异,所以本人

15、以沿主管轴向的视角给出了各节点的变形图。从图3.15图3.18可以看出,空管节点受力后,主管上连接板向下发生弯曲变形,两侧腹板则向外发生鼓曲;主管内填充混凝土后,由于混凝土的作用,钢管的变形受到混凝土的约束,节点刚度变大,由空心的弹性支撑变为刚性支撑,两侧腹板未发生向外鼓曲的现象。显然,主管内填充混凝土后节点处的变形小多了。3.5小结从以上有限元计算分析,可得出以下结论:(1矩形钢管混凝土节点相贯线附近的应力在靠近相贯线的区域应力迅速升高,远离相贯线应力逐渐衰减并趋于平缓;靠近相贯线区域内的应力主要表现为垂直于相贯线方向的应力,远离相贯线区域内的应力则主要表现为平行于相贯线方向的应力,说明矩形钢管混凝土节点在相贯线附近的很小区域内最大主应力方向是垂直或几乎垂直于相贯线方向的:支管侧应力主要表现为轴向应力;(2通