王 忠 阳

(1.烟台大学土木工程学院，山东 烟台 264000； 2.烟台万科企业股份有限公司，山东 烟台 264000)

1 概述

节点作为钢结构建筑的连接和传力构件，对钢结构的整体性和稳定性至关重要，而且在使用时受力情况非常复杂[1]。节点遭受到破坏将会直接导致与之相连的杆件和节点出现受力不均匀和整体不稳定的情况，在这种状况下的结构很有可能局部坍塌和整体垮塌，因此在结构研究的文献中对节点的设计和使用是非常关键的一部分[2]。本文研究为平面相贯环口板加强T型钢管节点。

2 有限元模型

2.1 模型选取

在本次模拟中荷载主要分为冲击荷载、轴力荷载、自身重力以及边界条件，冲击荷载是通过对锤施加速度产生冲击，轴力荷载是通过位移加载弹簧作用于主管截面产生，自身重力是通过对模型直接赋予重力[3]，节点受力如图1所示。

2.2 边界条件

本次模拟的边界条件依据试验具体情况进行了简化，边界条件的约束设置在初始步。在主管一端的边界条件放开水平约束，让其产生水平滑动[4]。另一端约束住所有自由度，完全固接。

2.3 分析步设置和界面接触

ABAQUS对节点的研究有两种分析方法，分为隐式分析和显示分析，隐式分析主要用于静态分析[5]。显示分析通常适用于动态分析，本文所研究的锤头冲击T型节点的时间是非常短暂的，因此采用显示分析。在本次建模过程界面处理中采取两种接触类型：第一种为通用接触——绑定，另一种为合并。在端板与支管顶端，环口板与支主管之间连接方式采用绑定接触[6]。支管与主管之间的焊接采用合并处理，在冲击过程中为了防止冲击锤撞入支管，法向采用“硬接触”，因为垂直接触面相互作用时产生的压力可以完全传递，当接触面分开时，产生的压力又完全消失；切向采用“罚函数”，切向接触是利用库仑摩擦模型模拟接触面之间产生的滑动摩擦[7]。

3 参数分析

运用有限元软件对环口板加强T型节点进行建模，并对主管的径厚比γ、支管与主管的直径比β、环口板长度与支管直径比ah对节点的位移影响规律作出分析[8]。

3.1 α对节点变形的影响

图2给出了α对位移的影响关系曲线。从图2中可以看出管顶位移与主管的长径比α大致呈线性关系，支管位移随着α的增大而增大。在不同参数情况下，α值的增大使得节点的刚度减小，强度降低导致主管和环口板的凹陷量增大。

3.2 γ对节点变形的影响

图3给出了γ对位移影响关系曲线，从图3中可以看出随着γ的增大位移迅速下降，但是两者基本呈线性关系。在不同参数情况下，增大γ值使得节点的抗弯刚度增大，因此随着γ值的增大位移开始下降。

3.3 β对节点变形的影响

图4给出了β对T型管节点支管管顶位移影响关系曲线。从图4中可以看出随着支管与主管的直径比β增大位移逐渐下降，且位移与β大致呈线性关系。在不同参数情况下，增大β可提高节点刚度，降低节点变形。

3.4 ah对节点变形的影响

图5给出了ah对位移的影响关系曲线，从图5中可以看出随着ah的增大位移开始逐渐下降，且位移与ah大致呈线性关系。在不同参数情况下，增大ah的值会使得节点刚度增大，环口板的加强效果增强，所以随着环口板长度的增大支管管顶位移会开始减小。

3.5 M对节点变形的影响

图6给出了M对位移的影响关系曲线。从图6可以看出随着锤质量M的增大位移迅速上升，且位移与M大致呈线性关系。在参数不同的情况下，增大锤的质量即增大冲击能，使得在冲击过程中T节点和环口板需要消耗更多的冲击能量，因此随着锤质量M的增大，T节点支管管顶位移会逐渐上升。

4 T型节点变形的公式推导与验证

在公式推导中因为需要把参数进行无量纲化，本文根据文献[9]中对锤头质量M无量纲化的形式，公式如式(1)所示：

λ=106Mv2L/(4σyD2T2)

(1)

其中，M为锤头质量，kg;v为锤头速度，m/s；L为主管跨度，m；σy为钢材屈服强度,MPa;D为主管直径,mm;T为主管壁厚,mm。

上节分析了各个参数对环口板加强T型管节点支管管顶位移的影响大致呈线性关系，因此对节点管顶位移公式拟合时可采用线性公式，如式(2)所示：

w/lh=a1a+a2β+a3ah+aλ+a5

(2)

w/D=a1a+a2β+a3ah+a4λ+a5

(3)

w/T=a1a+a2β+a3ah+a4λ+a5

(4)

其中，lh为环口板的长度;D为主管的直径;T为主管的壁厚;w为模拟中支管管顶的最终位移。

将有限元软件ABAQUS运算的数据以及预测的公式形式导入1stOpt[10]，得到主管凹陷变形与各个参数之间的关系式：

w/lh=0.829a-0.367β+0.758ah+1.289λ+1.792,R2=0.97

(5)

w/D=0.004 6a-0.001 3β+0.008 6ah+
0.002 4λ+0.062,R2=0.96

(6)

w/T=-1.563a+0.693β+
0.149ah+0.201λ-1.242,R2=0.94

(7)

式(5)表示为位移与环口板长度比值与各参数之间的关系，相关系数的平方为0.97。式(6)表示位移与主管直径比值与各参数之间的关系，相关系数为0.96。式(7)表示位移与主管壁厚比值与各参数之间的关系，相关系数为0.94。为了验证公式在计算上的误差大小，本文采取文献[11]中的公式对计算结果进行误差分析：

(8)

(9)

(10)

(11)

根据以上公式对T节点支管管顶最终位移与各个参数的比值计算结果进行了验证，得到位移与环口板长度比值计算公式的e，s*，s分别为0.14%，0.21%，0.09%，位移与主管直径比值计算公式的e，s*，s分别为0.34%，0.51%，0.08%，位移与主管壁厚比值计算公式的e，s*，s分别是0.42%，0.67%，0.17%。得知位移与环口板长度计算公式的平均差、标准差、标准差的平均差偏小，准确性相对于其他参数较高，因此选择式(5)作为节点支管管顶位移与参数之间的关系式。

5 结语

本文对环口板T型节点的抗冲击承载力性能进行了分析，通过有限元软件分别对主管的径厚比γ、支管与主管的直径比β、环口板长度与支管直径比ah、冲击锤的质量M、钢管的屈服强度σy对节点的位移影响规律作出了曲线，参数与节点位移大致呈线性相关关系，最后用公式拟合软件对节点的位移进行了公式拟合，最终得到环口板长度与支管管顶位移比与各个参数之间的关系式，并最终对公式进行了验证，公式具有可靠性。