矩形管插接节点抗弯刚度研究

【摘要】采用理想的插接节点模型，建立不同长度插芯的有限元模型，以贯通模型为参考，研究构件在纯弯状态下荷载与变形关系。分析发现当外加弯矩小于50%的节点屈服弯矩时，荷载与变形近似线性关系，之后呈现非线性。研究结果表明：插接节点的抗弯刚度小于贯通杆件，但随着插接长度的增加，节点的抗弯刚度弱化程度降低。当插接长度Lp=1.5D时，在屈服弯矩作用下插接节点内外管之间出现分离现象。

【关键词】插接节点；有限元分析；抗弯刚度；插接长度；摩擦接触

插接节点是指采用长度较短、截面形状与主管截面形状相同的辅管通过套插形式连接两段主管的一种节点型式。插接节点有两种形式，即外包套管节点和内插套管节点[1]。实际工程中，考虑到两种连接形式在受力特性上基本相同，因内插套管节点在外观上可隐藏连接，达到美观的效果而被较多采用。故本文仅以内插套管的插接节点作为研究对象。

插接节点通常用于受弯构件的连接或固定，即主管的弯矩和剪力通过与辅管接触部位的接触力传递给辅管，从而达到传递荷载的目的。主管承受的轴压力由主管之间的接触面或主管与支座之间的接触面直接传递。

插接节点中内外管间通过螺栓连接，由螺栓提供预紧力保证内外管接触，产生摩擦力提供节点的承载受力。梁柱连接节点的转动刚度为梁端弯矩与梁柱相对转角（弧度）的比值[2]，在纯弯作用下可忽略螺栓的作用[3]。

在工程实际中，钢管在套管压力作用下管壁的局部屈曲和的制造误差等因素会造成接触区域不明确，插接节点的材料、荷载、边界条件和其它因素会直接影响内外管间的接触状态，无法通过数值计算方法精确模拟节点的实际情况。然而由于钢材具有弹塑性，插接节点内外管的初始接触状态对节点的整体性能影响并不大，只要保证插接套管的加工精度，节点在弯矩作用下甚至可以忽略初始缺陷[4]。所以本文采用理想节点模型，对插接节点进行修改有限元计算分析。首先假定插接节点域内外钢管之间完全紧密接触，并且初始状态下应力为0。这种理想假定模型忽略了问题的次要矛盾，方便研究节点变形情况和受力机理。

本文采用有限元分析计算软件ANSYS，对插接节点的抗弯刚度进行分析，通过改变插接节点中插芯的插接长度，来讨论插接长度对插接节点抗弯刚度的影响。

1 、计算模型的建立

使用ANSYS的Workbench界面，相比于常用的classical经典界面，其可视化操作及荷载、接触等的设置都较为方便，对于本文涉及到的问题可以很好的实现有限元模拟。

1.1 几何模型

如图1所示，上下方形钢管截面尺寸为200mm×200mm×10mm，长度为2000mm，插接处存在20mm的间隙；内插套管为长宽180mm的方形钢管，其长度为插接长度2Lp与外管间隙20mm之和，Lp与外管边长D的比值分别为1.1、1.3、1.5和1.7，计算研究不同插接长度对插接节点变形的变形的影响。为了比较分析理想插接节点与贯通钢管节点之间的关系，同时计算贯通管在相同荷载下的变形。

1.2 单元和材料

单元类型采用Workbench默认的高阶实体单元soild186。solid186单元通过20个节点来定义，每个节点有3个平动自由度，分别沿xyz方向。solid186具有空间各向异性，超弹性，单元支持塑性，应力钢化，蠕变，大应变和大变形能力。

插接内外方形钢管材料均为Q345钢材，材料本构关系采用双线性随动强化模型模拟，简化为理想弹塑性，详细参数见表1。

1.3 约束和加载

约束插接节点外方管底部截面的三方向位移，在顶部施加单方向弯矩，计算研究插接节点在纯弯荷载作用下的弯曲变形，即通过节点模型顶端的侧移y与节点长度l的比值y/l（相对转角）来描述。外加弯矩M根据节点屈服弯矩My分不同的比例加载，研究插接长度与荷载大小的关系。节点屈服弯矩My=Wyfy，其中Wy为计算截面绕y轴的弹性抗弯模量，fy为钢材的屈服强度，即345MPa。

1.4 接触方式

Workbench中共有5种接触类型，其中有摩擦接触、粗糙接触和无摩擦接触这三种接触可允许接触面之间发生分离，为非线性接触。本文插接节点接触类型采用有摩擦接触，根据参考文献[5]计算。由于摩擦系数对插接节点的弯曲变形影响并不明显，因此按《钢结构设计规范》（GB50017-2003）中关于高强度螺栓摩擦型计算方法中连接面抗滑移系数μ的取值，对采用钢丝刷清除浮锈或未经处理的干净轧制表面，取摩擦系数为0.35。

2 、插接长度对节点抗弯刚度的影响

插接长度的大小直接影响着内外管间的接触面积，在荷载作用下内外管间通过接触面互相传递内力，达到共同抵抗外荷载的能力，即表现为抗弯刚度的大小。图2为插接节点在纯弯作用下不同插接长度对变形的影响，其中贯通是理想连续节点，作为插接节点刚度的比较参考。

在相同的外加弯矩作用下，插接节点的相对转角要大于贯通杆件，这说明插接节点的抗弯刚度要小于相同截面的连续杆件。随着插接长度的增加，插接節点的抗弯刚度逐渐增大，但其对抗弯刚度的影响程度逐渐减小。另外从上表还可以看出，外加荷载的大小也与插接长度对节点抗弯刚度的影响程度有关，当外加弯矩M取值以节点屈服弯矩的50%时为界，当小于50%时M/My与相对转角基本上呈线性关系，当大于50%时则出现不同程度的非线性关系。观察计算结果，发现其主要是因为插接节点的内外管出现屈服的现象，如图3，为插接长度Lp=1.5D时，屈服弯矩作用下插接节点的应力分布云图。观察也可证实本次模拟中使用的接触达到了预期效果，内外管间出现分离现象。

结论：

插接节点的抗弯刚度比贯通杆件小，但随着插接长度的增加，插接节点的抗弯刚度弱化程度呈现降低趋势。在实际工程中插接长度可按Lp=1.5D取值，即可满足插接节点的使用需要。

参考文献：

[1]张凤杰，刘旭.考虑接触影响时钢管结构套管插接节点承载力的数值分析[J].中国农业大学学报，2007，12（5）：91-96.

[2]程显锋.半刚性节点的转动刚度及其影响[J].山西建筑，2009，35（23）：48-50.

[3]罗烈，高双喜.插接式单管塔整体变形的有限元分析、简化计算及试验对比[J].结构工程师，2009，25（3）：34-39.

[4]罗烈，卢玲.单管钢塔理想插接节点的抗弯刚度研究[J].特种结构，2009，26（2）：31-35.

[5] 罗烈，涂望龙.单管塔插接连接节点抗弯刚度的试验研究[J].建筑结构，2013，43（S1）：431-435.

作者简介：

高永刚，上海泰大建筑科技有限公司。