高艳红，刘文白（上海海事大学　海洋科学与工程学院，上海　201306）

超大型浮式网架结构节点的选型及有限元分析

高艳红，刘文白
（上海海事大学海洋科学与工程学院，上海201306）

对各种节点类型的优缺点进行分析对比，选出最适宜浮式网架结构的节点型式为球节点，并运用ABAQUS有限元软件对球节点的力学性能进行数值模拟分析，计算得出球节点的极限承载能力。作为实际工程运用的参考，设置加劲肋的用以提高球节点的力学性能。

浮式网架；节点；有限元分析；加劲肋

0　引言

当今世界空间与资源总储量紧张情势远远不能满足当今经济的飞速发展，因此海洋工程界开启了一个新的研究领域，即超大型浮式结构的研究。其结构具有整体性好、工业化程度高、施工周期短、消波性好、受自然条件限制较小等优点［1］。针对新型海洋结构浮式网架的相关研究主要集中在整体结构选型及其稳定性分析。节点作为结构的关键受力与传力构件，具有极复杂的受力环境与破坏型式，其力学性能对结构的整体性及稳定性有着至关重要的作用。

1　浮式结构节点选型

按照力学特性，节点可分为刚性连接节点、半刚性连接节点和铰接连接节点；按照构造形式，节点具体可分为：螺栓球节点、焊接空心球节点、钢管圆筒节点、焊接钢板节点、钢管鼓节点等。

节点交汇处都连接有数根杆件，受力复杂，确定节点类型需要满足与计算假定相符、尽量避免偏心、具有足够的强度等原则，结合各类型连接节点的受力状况、制作工艺等特征，浮式网架结构连接节点形式选为焊接空心球节点。

2　空心球节点的有限元分析

2.1模型参数及材料属性

表1　模型参数及材料属

2.2有限元原理

进行数值模拟时，焊接空心球节点可看做很薄的壳体，进而选择壳单元进行计算；同时也能够看做是三维连续体，选用实体单元来进行有限元分析。唐海军采用两种单元对焊接空心球节点进行了分析比较，认为实体单元能够更精确的反应节点在受荷过程中的变形和应力情况［2］。选用实体单元，考虑几何非线性。大量研究表明，焊接球节点在轴向受拉时为强度破坏，轴向受压时为弹塑性压曲破坏，且单向受力与双向受力时其破坏荷载接近［3］，因此，对球节点进行单向受力的数值模拟分析。

2.3有限元分析结果

通过ABAQUS软件对球节点的分析，可得到：

（1）球节点周围应力、应变分布均匀；

（2）杆件周围应力、应变分布均匀；

（3）在焊趾处（即球节点与杆件的焊接处），应力稍有集中；

（4）由焊趾处至球节点中心平面，节点的应力值逐渐减小。

球节点极限承载能力：由对焊接空心球节点的有限元分析得到：空心球节点的受拉极限承载能力为1.18*108N，受压极限承载能力为1.15*108N。因此，在条件相同情况下，球节点的受拉极限承载能力和受压极限能力大体相当，稍大于受压极限承载能力。

3　加劲肋的设置对节点性能的改善

浮式网架结构的球节点具有超大直径，其本身对于结构整体又具有关键性作用，故需保证节点在设计荷载作用下的安全稳定性，如希望球节点具有更大的承载能力，设置加劲肋是最有效的措施之一［4］。故对节点设置加劲肋用以提高其承载能力。空心球的加劲肋类型主要采用环肋与实心圆肋，不同类型的肋又可布置成不同的形式，以肋的个数可分为单肋与双肋两种形式，一定数量的肋又可布置成不同角度。经过有限元分析，可得出同样布置条件下：

（1）实心圆肋对节点力学性能的提高系数稍高于环肋；

（2）双肋对节点性能的提高系数高于单肋；

（3）加劲肋对节点性能的提高系数随肋面与荷载方向夹角的减小而增大；

4　结论

（1）结构节点形式选用焊接空心球节点，满足力学特性、施工工艺等方面的要求；

（2）球节点在受力作用下应力、应变分布较为均匀，在焊趾处具有一定的应力集中现象；

（3）加劲肋对于空心球节点的力学性能具有明显的改善作用，提高系数与加劲肋的布置型式及布置方式相关。在浮式网架结构中加劲肋的布置平面应尽量与合力处于同一方向，能够有效地加劲肋的作用。

［1］Liu Wenbai，Su Kejia，Xi SshiLei.The selection and numerical simulation of marine engineering floating pier structure［J］.Advanced Materials Research Vols，2011，4705：243-249.

［2］唐海军.轴力与弯矩共同作用下焊接空心球节点承载力与实用计算方法研究［D］.浙江，2005.

［3］唐波，余江滔，陆洲导，俞可权.加劲肋对焊接球节点力学性能影响的数值分析［J］.结构工程师，2011，27（01）：40-46.

［4］童乐为，顾敏，陈以一.具有内加劲肋的空间多支管的圆管节点性能研究［J］.建筑结构，2009，39（01）：69-72.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.238

高艳红（1991-），河南濮阳人，硕士研究生，研究方向：超大型浮式网架结构节点的研究。