几何因素对钢管相贯节点破坏模式及承载力的影响

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摘要：管结构在其自身的截面形式以及力学性能上具有的优点被越来越多的工程师所青睐，广泛的应用到了现代的建筑结构中。相贯节点是管截面连接中的一种形式，近年来相贯节点作为管结构的重要节点形式越来越多的应用到了实际工程中。与此同时，对相管节点的研究也越来越多，节点的几何因素不同对其破坏模式和承载力会产生一定影响。本文主要讨论了几种几何因素对相贯节点破坏模式及承载力的影响。

关键词：钢管相贯节点；几何因素；破坏模式；极限承载力。

中图分类号：TU511.3+7 文献标识码：A 文章编号：

0、引言

圆钢管结构由于其截面形式的特点，在每个截面处的几何特性都是相等的，外界因素引起的作用在各个轴上都是等强度的。圆钢管截面的抗扭刚度很大，在密闭和防锈等性能上也很好。另外，管结构在其内部有合适的利用空间，可以在空间中添加其他的材料以提高管的整体承载力性能，也可以作为管道过水、加热、排风，对消防和供暖起到一定的作用。节点是管结构中重要的组成部分，管节点有很多种形式，现在工程上用的较多的是相贯节点。

相贯节点研究的课题也是涉及的方面越来越多，研究过程中破坏模式和承载力是至关重要的两个要素，相贯节点的直径比、径厚比、主支管之间夹角等因素对破坏模式及承载力有影响，针对不同的破坏模式以及极限承载力得出相应的结论。

一、圆钢管相贯节点的破坏模式及过程

圆管结构在直接焊接的过程中支管将荷载直接传给主管。支管的轴向刚度要大于主管的横向刚度，当将荷载以拉或压的形式加到支管上时支管将荷载传递给主管，当支管本身具有足够的强度保证不会被拉断、焊缝的各项指标都控制的很好、不会发生局部失稳的前提下，节点会发生以下几种破坏形式：由于主管强度不足局部出现压溃或直接将主管壁拉断；在荷载作用下主管壁冲剪破坏；K型节点在主管与支管的相贯区域支管间的主管发生剪切破坏。

相贯节点破坏主要经历以下的过程：当荷载加到支管时，在主支管相贯处主管的横向刚度小，支管的轴向刚度大，因此在相贯线处的应力分布是不均匀的，应力的较大值出现在鞍点和冠点处，应力分布不均匀时会出现应力集中的现象，某一点出现应力集中值很大我们称之为热点。在加载过程中热点先于其它点达到屈服，当荷载继续增加时热点处形成塑性区，应力开始重新分布。当支管的内力不断增大时，周围的区域也逐渐地形成塑性区，当节点塑性变形超过了一定的界限而导致管出现裂缝时节点即发生了破坏。破坏准则分为：

极限荷载准则――节点发生破坏、断裂。

极限变形准则――变形超过一定界限。

初裂缝准则――出现明显的裂缝。

目前国际上公认的准则是极限变形准则，即认为使主管管壁产生过度的局部变形时，相贯节点的承载力为其最大承载力，并以此来控制支管的最大轴向力。

二、节点几何因素对破坏模式及承载力的影响

（1）选取节点

本文选取三组几何因素不同的K型节点，来分析当几何因素变化时对节点性能的影响。每组选取五个不同几何尺寸的节点，对各节点进行极限承载力分析，利用有限元软件ANSYS分析，考察主管与支管的外径比，主管径厚比和主管与支管的厚度比不同时，对相贯节点承载性能的影响。

节点几何尺寸表1

注：表中截面单位为，长度单位为mm，角度单位为度。

节点几何参数表2

（2） 有限元分析及计算结果

① 支、主管直径比的影响

在主管径厚比、支主管厚度比等参数均相同的情况下，支主管直径比对节点极限承载力的影响很大，支、主管直径比越大，刚度越大，沿相贯线的应力分布也越均匀，承载力越高；另外，支管与主管的直径比增大，支、主管交接处力的作用面积增大，支管轴力对主管管壁产生的垂直应力分量较小，导致节点承载力提高。

③主管径厚比影响

在其它条件相同的情况下，随主管径厚比的减小，主管抗弯刚度增大，应力集中程度减小，节点承载力提高。当时，极限承载力下降较快。

③ 支、主管厚度比的影响

在其它参数不变的情况下随着支管厚度的加大，抗屈曲能力提高，第一和第二组节点的节点承载力变化不大，第三组节点承载力呈缓慢上升趋势。由此可知，节点承载力的大小与支主管径厚比的关系不大。如图5示。

三、总结

K型节点随着几个因素的变化，承载力有所不同；支主管直径比、主管径厚比和支主管轴线夹角是影响节点受力性能的主要因素。节点的强度和刚度随着支主管直径比增大而增加；随着主管径厚比的增大而降低,当时,节点的极限承载力降低较快；支主管厚度比的增大对节点的极限承载力影响不大，但可提高节点的刚度；为此，建议节点设计时尽量减小主管的径厚比，并使支管直径尽量与主管直径接近，减小支主管轴线间的夹角，以利于提高整个节点的承载力。

参考文献：

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