直接焊接K形\KK形方圆管节点的参数分析

提要本文应用材料非线性和几何非线性有限元方法，对弦杆有轴压作用下直接焊接K形、 KK形间隙方圆管节点进行了系统的分析。考察了主要的几何参数对节点静力性能的影响规律，研究参数有β、γ、τ、θ、g、n，得到了一些有助于结构设计的结论。

关键词方圆管节点K形节点KK形节点极限承载力

1前言

空心管结构因为良好的力学特性、优美的外观和相对较低的造价，越来越受到人们的关注。在直接焊接管节点中，有间隙的K形、KK形节点是广受好评的结构形式。

直接焊接空心管节点一般由圆管（CHS）与圆管相贯，或方管（SHS）与方管相贯组成。然而，由圆管支杆和方管弦杆组成的节点（也称方圆管节点）常表现出一些超过单纯由圆管或方管组成的节点的优势。方圆管节点只需要对支杆进行简单的切削即可施焊连接，而同样情况下的圆管节点在焊接之前必须对支杆进行复杂的空间切割，才能使之与圆管弦杆很好的接合。所以方圆管节点比圆管节点加工成本更低。与方圆管节点相比，方管节点常有较严重的应力集中现象，且疲劳寿命相对较低。因此，方圆管节点很可能在一些工程中提供最佳的解决方案。

本文应用材料和几何非线性有限元方法，分别对弦杆有轴压作用下的直接焊接K形和 KK形间隙方圆管节点的几何参数进行了系统的分析

2有限元分析

2.1建模与加载

本文根据工程中常用的尺寸建立了K形节点基本模型[3]：弦杆截面为100×3 mm、支杆截面为40×2 mm，支弦杆夹角θi=45°，间隙宽度g=30mm，弹性模量E=2.06×105 N/mm2，泊松比υ＝0.3，钢材屈服强度fy=345MPa，轴压系数n=0.4，不考虑支、弦杆连接处焊缝影响，忽略弦杆方管的内外圆角，计算简图如图1所示；典型KK形节点取支杆平面间夹角φ=90°，其它参数与K形节点相同，参见图2。

为实现图1所示的K形节点计算简图，首先在每个支杆端部加封一块厚而刚的端板，约束端板中线上（保持Y、Z坐标不变）7个点的X、Y、Z轴方向的位移，然后在弦杆两端施加轴向荷载至一定值，最后沿弦杆轴向（Z轴方向）在其右端部施加均布力，同时约束

刘冲，男，1979.4出生，工学硕士

端部周边节点的X、Y向位移，如图3所示。KK形节点有限元模型的建立方法与平面节点类似，可由K形节点的一部分镜像生成。边界条件也基本相同，考虑到节点的空间变形，支杆端板上只约束中心点的X、Y、Z轴方向的位移，加载方法与K形节点相同，如图4所示。

2.2分析方法

选用四结点弹塑性壳单元对节点进行分析，考虑几何非线性和材料非线性，材料的本构关系采用理想弹塑性模型，对其进行大应变分析。网格划分时采用了多密度结合的方法，即在受力情况复杂的支、弦杆交汇处进行较细密的网格划分，单元边长为3~10mm，而在距此位置较远处将网格逐渐变得稀疏。选用稀疏矩阵直接求解器，并通过Newton-Raphson平衡迭代方法结合弧长法来帮助稳定求解。

3节点参数分析

K形、KK形间隙方圆管节点的基本形状和参数如图5、图6，其主要几何参数有：弦杆宽度和高度b0、h0（文中节点主管均为方管，b0=h0）；压、拉支弦杆宽度综合比β1 、β2分别等于d1/b0、d2/b0；弦杆壁厚t0通过定义弦杆宽厚比γ（γ=b0/t0）来考虑；支杆壁厚ti通过定义支弦杆壁厚之比τi(τi= ti/t0)来考虑；两支杆与弦杆间夹角θ1、θ2（除特殊注明外，文中θ均为45°）；支杆间隙尺寸g；空间节点中支杆平面间夹角φ；分析采用的节点参数详见表1。

3.1支杆直径与弦杆宽度比βi

本文研究压支杆与拉支杆直径相同（β1＝β2）的情况，图7所示为参数βi不同时一些节点的荷载―位移曲线，可见K形与KK形节点的强度、刚度均随βi的增加而有规律的增大。

3.2弦杆宽厚比γ

由图8可见，随着γ增加，K形、KK形节点的强度和刚度降低，且当16.7

3.3支弦杆壁厚比τi

随着τi的增大，K形、KK形节点的强度和刚度无明显变化，参见图9。

3.4支弦杆夹角θi

本文就θ1=θ2的情况探讨了θi在30~60°之间节点的性能。从图10中可知随着θi的增大K形、KK形节点的强度、刚度均有规律的降低。

3.5弦杆表面上支杆间隙g

g是支杆有间隙的K形节点所特有的参数，研究表明K形、KK形节点的强度、刚度均随g的增大而有不同程度的减小，参见图11。

3.6轴压系数n

由图12可见，弦杆受轴压作用后，K形、KK形节点的荷载―位移曲线一般会出现下降段。轴压系数n越大，节点的刚度越小、到达极限承载力时节点的变形越小。

3.7尺寸效应的影响

由量纲分析法可知，Pu/b02为此类节点的相似准数，本文对弦杆宽度b0分别为75mm、100mm、150mm、200mm、300mm的节点18～22（同比例缩放）进行了分析，图13表明100Pu/b02随弦杆宽度b0的变化曲线近似为常数，根据相似原理，所研究的K形、KK形节点彼此相似，故在研究诸参数对弦杆有轴压节点强度比的影响时，可不再探讨尺寸效应的影响。

4结论

直接焊接方圆管节点的静力性能受各几何参数的影响规律与方管节点类似，其中改变β、γ、n对节点性能的影响较大。作用在弦杆上的轴向压力不但降低了节点处塑性铰线的承载力、破坏了节点拉压支杆间的张拉场，其自身更像是在弦杆上施加的预压应力，使节点易于发生弦杆失效。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。