桁架拱轻钢大棚骨架K型节点受力性能对比与分析

解恒燕，刘彪

（黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆 613319）

桁架拱轻钢大棚骨架K型节点受力性能对比与分析

解恒燕，刘彪

（黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆 613319）

我国北方寒区常发生桁架拱轻钢大棚在暴风、暴雪共同作用下破坏。以桁架拱轻钢大棚骨架的薄弱部位即K型节点[1-3]为研究对象，采用ANSYS有限元分析软件对灌浆K型节点及空心K型节点进行模拟静力分析，同时进行了灌浆K型节点及空心K型节点静力加载试验，验证了有限元分析结果的正确性。分析结果表明，灌浆K型节点与空心K型节点的最大应力均出现在受压支杆与主管焊接处，且灌浆K型节点应力明显小于空心K型节点应力，灌浆改善了桁架拱轻钢大棚骨架K型节点的受力性能，为灌浆桁架拱轻钢大棚骨架的整体分析提供了依据。

桁架拱轻钢大棚骨架；灌浆K型节点；空心K型节点；受力性能

桁架拱轻钢大棚是我国北方寒区常见的温室形式，如图1所示，这种大棚骨架是由钢管（上弦）和钢筋或钢棒（腹杆及下弦）组成，如图2所示。

我国北方寒区冬季温度低，工程结构遭受风荷载及雪荷载作用明显，黑龙江省常发生大棚骨架在雪荷载和风荷载作用下的破坏，而上弦节点是该大棚骨架的薄弱部位。为提高大棚抵抗风雪荷载的能力，将土木工程中灌浆钢管混凝土的思想引入到桁架拱轻钢大棚中，在受压主管内灌注素水泥浆，形成灌浆钢管节点，改善骨架整体的受力性能。拟利用有限元软件ANSYS对桁架拱轻钢大棚灌浆K型节点与空心钢管K型节点受力性能进行对比分析，考察灌浆对空心K型节点受力性能的影响情况及规律。

1 建立有限元模型

1.1 选取有限元单元

利用ANSYS软件建立空心K型节点和灌浆K型节点有限元分析模型如图3和图4所示。空心K型节点钢管采用SOLID45单元，该单元用于构造三维实体结构，单元通过8个节点来定义，每个节点有沿着xyz方向平移的3个自由度，具有塑性，蠕变，膨胀，应力强化，大变形和大应变能力。灌浆K型节点钢管也采用SOLID45单元，水泥石采用SOLID65单元。SOLID65单元用于含钢筋或不含钢筋的三维实体模型。该实体模型具有拉裂与压碎的性能，并具有8个节点，每个节点有3个自由度[4]。有限元分析中，钢管采用Q345钢材，应力-应变曲线采用双线性随动强化准则，屈服强度取345 MPa，弹性模量为2.06× 105MPa，泊松比为0.27[5-6]；水泥石的应力-应变曲线采用多线性随动强化准则，弹性模量取为2.8× 104MPa，泊松比取为0.167[7]。分析中，不考虑主管与腹杆焊接、钢管与水泥石的相对滑动对节点受力性能的影响。

图1 桁架拱轻钢大棚Fig.1 The trussed arch lightweight steel greenhouse

图2 大棚骨架节点Fig.2 K-joints of skeletons of greenhouse

图3 空心K型节点有限元分析模型Fig.3 FEA model of hollow type K-joints

图4 灌浆K型节点有限元分析模型Fig.4 FEA model of grouting type K-joints

1.2 大棚骨架荷载计算

分析的桁架拱轻钢大棚骨架跨度l=6 m，高度f=2.1 m，桁架拱骨架节点均简化为理想铰结点，简化后计算模型如图5所示。按照《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）[6]中给出雪荷载标准值计算公式为：

式中：sk—雪荷载标准值（kN·m-2）；

μr—屋面雪荷载分布系数，考虑雪荷载最不利情况，取1.0；

s0—基本雪压（kN·m-2），因大棚对雪荷载敏感，这里取黑龙江省100年重现期雪压最大值s0=1.6 kN·m-2。

雪荷载标准值sk=1.6 kN·m-2。

大棚骨架间距，按照常规取为1.5 m，作用在单榀骨架上的竖向均布线荷载：q=1.5×1.6=2.4 kN·m-1。桁架拱骨架节点间距为0.3 m，将均布线荷载简化为作用在节点处的集中力P=2.4×0.3=0.72 kN。计算得到大棚跨中附近弦杆轴力最大为16.644 kN，该处受压支杆轴力为0.506 kN，受拉支杆轴力为0.506 kN，因此选择此处的K型节点进行分析。

图5 大棚的计算模型Fig.5 Calculation model of greenhouses

图6 K型节点简图Fig.6 Diagram of K-joints

1.3 试验设计及有限元计算结果

对灌浆K型节点与空心K型节点设计了相同的3因素3水平正交试验，影响因素为上弦管直径D、主管与支杆夹角θ、支杆直径d，每个因素选取3个水平。进行静力加载试验有限元模拟时，各K型节点主管、支杆轴力及约束均相同。正交试验设计及有限元计算所得灌浆K型节点与空心K型节点试件最大应力值见表1。

表1 正交试验设计及有限元算得的K型节点试件最大应力值Table 1 The orthogonal experiment design and finite element calculation of the maximum stress value of K-joints

2 有限元计算结果分析

由表1可见：在相同荷载作用下，灌浆K型节点比空心K型节点最大应力值均有所降低。第1组灌浆K型节点与空心K型节点试件的应力云图如图7、8所示。

图7 第1组灌浆K型节点应力云图Fig.7 Grouting K-joints stress nephogram of group1

图8 第1组空心K型节点应力云图Fig.8 Hollow K-joints stress nephogram of group 1

由图7、8可知，灌浆K型节点与空心K型节点最大应力均出现在主管与受压支杆焊接处。但灌浆K型节点相比于空心K型节点最大应力降低32.25%，同时可见灌浆钢管管壁各处应力均比空心钢管管壁应力小。主管焊接区域外应力分布均较均匀，且应力远小于材料的屈服强度。因此应从加强主管与支管焊接处来加强节点的受力性能，避免造成材料浪费。

灌浆钢管管壁应力降低的原因是钢管与水泥石共同工作时，内部水泥石在钢管管壁的约束作用下处于三向受力状态，从而提高了水泥石的抗压强度及变形性能。同时由于水泥石的支撑作用改善了空心钢管的稳定性从而改善了空心钢管的受力性能。钢管和水泥石二者相互作用，使得两种材料被充分利用，共同改善了灌浆钢管的受力性能。

3 模型试验

3.1 K型节点及应变片粘贴方式

选取表1中第3组灌浆K型节点与空心K型节点试件进行试验，试件如图7所示。灌浆K型节点与空心K型节点试件数量各取3个，图8为试件上粘贴应变片粘贴位置。共粘贴7个应变片，其中1～3号应变片贴在管壁位置，4～7号应变片贴在主管支杆焊接区域。且均通过导线连接在DH-3816静态应变采集系统上采集各测点的应变。

图9 K型节点试件Fig.9 Specimens of K-joints

图10 试件上应变片粘贴位置Fig.10 Specimen strain gauge on the paste position

3.2 加载装置

试验加载装置如图9所示。该加载装置为自行设计的封闭式钢框反力架，试验时主管及支杆轴向压力均通过千斤顶施加，通过传感器读取千斤顶施加的压力值。支杆轴向拉力通过钢绳悬挂配重直接施加。

图11 试验加载装置Fig.11 Loading device of test

3.3 加载机制

由有限元分析结果可知最大应力均出现在主管与受压支杆焊接处，为考察此处最大应力随受压支杆轴力变化情况，试验加载机制为将空心与灌浆K型节点均将主管轴力固定为6.5 kN，拉杆轴力固定为0.65 kN，压杆轴力由0.65 kN至6.5 kN分10级逐级施加。

3.4 有限元计算结果与试验结果对比

由试验实测得到焊接区域测点应力值明显大于焊接区域外测点应力值，这一结果与有限元结果相符合。表2给出了灌浆K型节点与空心K型节点有限元计算与试验实测各测点应力值。表中应力值为试验测得的3个试件测点应力的平均值。

表2 灌浆K型节点及空心K型节点有限元计算与试验实测应力值Table 2 Grouting and hollow type K-joints finite element calculation and test of the measured stress value

由表2可知，灌浆K型节点空心K型节点有限元计算结果与试验实测结果相差最大为6.33%。有限元分析及模型试验加载过程中K型节点均处于弹性阶段，通过对比分析可见，采用有限元分析灌浆K型节点空心K型节点的结果是可靠的。

4 结论

利用有限元软件ANSYS对桁架拱轻钢大棚骨架灌浆K型节点及空心K型节点进行了3因素3水平的正交模拟静力分析。进行了灌浆K型节点及空心K型节点静力加载试验，试验验证了有限元分析结果的正确性。分析结果表明，灌浆改善了桁架拱轻钢大棚骨架K型结果的受力性能，为灌浆桁架拱轻钢大棚骨架整体分析提供了依据与素材。

［1］宋谦益.圆钢管混凝-钢管K形节点的力学性能研究［D］.上海：清华大学，2005.

［2］郑莲琼.平面K型圆钢管混凝土桁架节点力学性能分析［J］.钢结构，2011，26（11）：20-23.

［3］Tebbett I E，Beckett C D，Billington C J.The punching shear strength of tubular joints reinforced with a grouted pile［C］.HoustonTexas：Offshore Technology Conference Association，1979.

［4］解恒燕，李海艳.钢纤维活性粉末混凝土高温爆裂性能对比分析［J］.黑龙江八一农垦大学学报，2015，27（4）：87-91.

［5］王秀丽.薄壁圆管相贯加强环节点承载力性能研究［J］.建筑科学，2006，22（2）：1-7.

［6］柴冬冬.索—拱结构单栋塑料大棚骨架力学性能研究［D］.大庆：黑龙江八一农垦大学，2015.

［7］张格明.预应力内置灌浆方钢管桁架混凝土组合梁基本问题研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007.

Analysis and Comparison of the Mechanical Behavior of K-joints of Trussed Arch Lightweight Steel Skeletons of Greenhouse

Xie Hengyan，Liu Biao
（College of Engineering，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319）

The trussed arch lightweight steel skeletons of greenhouse were always destroyed under the effect of heavy snowfall and storm wind in the northern cold regions of our country.K-joints of trussed arch lightweight steel skeletons of greenhouse were selected as the object of studybefore the static behavior of grouting K-joints and hollow K-joints was analyzed by using the software ANSYS.Meanwhilethe static loading tests of grouting K-joints and hollow K-joints were carried out in order to prove the veracity of FEA result.The analysis showed that the maximum stress was found at the weld of compression member and main pipe in both grouting K-joints and hollow K-jointsand the node stress of grouting K-joints was much smaller than the node stress of hollow ones. Grouting improved the mechanical behavior of K-joints of trussed arch lightweight steel skeletons of greenhouse.Alsothe basis could provide the integral analysis of grouting trussed arch lightweight steel skeletons of greenhouse.

the trussed arch lightweight steel skeletons of greenhouse;grouting K-joints;hollow K-joints;the mechanical behavior

TU392.2

A

1002-2090（2016）05-0105-04

10.3969/j.issn.1002-2090.2016.05.021

2016-03-20

黑龙江八一农垦大学引进人才科研启动计划项目（XYB2012-15）；黑龙江省教育厅新世纪优秀人才支持计划项目（灌浆钢管作主受力构件的温室结构基本性能研究：20102305120003）。

解恒燕（1973-），女，副教授，哈尔滨工业大学毕业，现主要从事土木工程材料、农业生物环境与能源工程研究工作。