空间复杂多支管柱节点承载力计算方法与流程

本发明属于角钢塔设计技术领域，具体是一种空间复杂多支管柱节点承载力计算方法。

背景技术：

圆钢管节点的出现及使用早于方钢管节点，故对前者研究的时间较早，研究的历史较长，积累了较多的数据资料。钢管节点的研究始于1948年，前西德所进行的钢管节点实验，主要研究了节点的极限强度及破坏模式。上世纪50年代，美国开始了钢管相贯节点的分析研究。随后60年代，许多国家在大跨空间结构，高耸结构中采用钢管构件节点，此时钢管节点得到了快速的发展，从而钢管节点的研究工作也逐渐展开。60年代至70年代，越来越多的国家和地区把钢管节点的计算纳入设计规范，且其在建筑结构中的应用越来越广泛。尽管对圆钢管节点的研究较早，但其受力较为复杂，加之受众多因素影响，故需对其进行更深入的研究。

国内对于钢管-板连接的节点所进行的研究主要局限于平面节点，对于空间节点的研究较少，但也取得了一定的研究成果。然而，对于带有钢管插板连接的空间相贯节点的研究较为罕见，关于此类节点的极限承载力计算是结构设计中急需研究的问题。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种空间复杂多支管柱节点承载力计算方法。该计算方法拟合出了空间复杂多支管柱节点极限承载力的计算公式，通过该公式进行计算可以为工程设计提供参考。

本发明采用的技术方案是：

一种空间复杂多支管柱节点承载力计算方法，包括以下步骤：

s1、建立空间复杂多支管柱的有限元模型；

s2、对空间复杂多支管柱的有限元模型进行有限元分析，得到有限元分析结果；

s3、将有限元分析结果进行回归拟合，得到空间柱节点极限承载力计算公式。

作为优选，所述步骤s2中，进行有限元分析之前对有限元模型进行拆分，得到k型节点模型，再对k型节点模型进行有限元分析。

作为优选，所述步骤s2中，有限元模型的拆分方法为：首先除去仅起构造作用的辅助材支管及杆；最后除去支管，形成平面k型相贯节点，为提高计算效率，每次拆分时，仅除去被拆支管端部的约束及荷载。

作为优选，所述步骤s3中空间柱节点极限承载力计算公式为：

本发明的有益效果如下：

本发明拟合出了空间复杂多支管柱节点极限承载力的计算公式，计算数据与实验数据误差较小，通过该公式进行计算可以为工程设计提供参考。

附图说明

图1为实施例中建立的有限元模型的整体模型图；

图2为实施例中有限元模型的第一次拆分示意图；

图3为实施例中有限元模型的第二次拆分示意图。

附图标记：

1、主管；2、第四支管；3、第一支管；4、第五支管；5、第二支管；6、第三支管；7、第一辅助材杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

实施例：

一种空间复杂多支管柱节点承载力计算方法，包括以下步骤：

s1、建立空间复杂多支管柱的有限元模型；采用软件ansys建模，建立如图1所示的有限元模型，包括主管1、第四支管2、第一支管3、第五支管4、第二支管5、第三支管6和第一辅助材杆7，节点模型采用shell181壳单元模拟，不考虑焊缝的影响，构件与节点板螺栓孔连接处采用mpc184单元模拟。

考虑节点模型的几何非线性、材料非线性，钢材本构关系采用多线性模型及等向强化理论。

s2、对空间复杂多支管柱的有限元模型进行拆分，得到k型节点模型，再对k型节点模型进行有限元分析，得到有限元分析结果，其中，有限元模型的拆分方法为：首先除去仅起构造作用的第一支管3、第二支管5、第一辅助材杆7；得到如图2所示的第一次拆分示意图，最后除去第三支管6，得到如图3所示的第二次拆分示意图，形成平面k型相贯节点，简称k型节点，为提高计算效率，每次拆分时，仅除去被拆支管端部的约束及荷载；

s3、将有限元分析结果进行回归拟合，得到空间柱节点极限承载力计算公式。空间柱节点极限承载力计算公式为：

其中，ψ0为考虑辅助材杆件的影响参数，取ψ0＝1.05；

pu2为k型节点的极限承载力；k型节点的极限承载力的计算公式为：

其中，ψ2为考虑主管1及第四支管2的影响参数；

θ为支管轴线与主管1轴线的夹角；

d为主管1直径；t为主管1壁厚；

其中σ为节点两侧主管1轴心压应力的较小绝对值；fy为主管1钢材的屈服强度。

当β2≤0.7时，ψd＝0.069+0.93β2，当β2大于0.7时，ψd＝2β2-0.68，其中β2为第四支管2与主管1的直径比；

f为主管1钢材的抗弯、抗拉、抗压强度设计值。

ψ2的计算公式为：

ψ2＝0.8320+0.4595γ^0.3-1.5004β2^0.4+0.1295τ2^0.5。

其中，γ为主管1自身径厚比；β2为第四支管2与主管1的直径比；τ2为第四支管2与主管1的壁厚比。

经上述各公式，即可在设计时对空间柱节点极限承载力进行计算，为验证公式的实用性，首先进行有限元模型与实验数据的对比，进行实验并收集实验数据，整理数据得到节点承载力的有限元分析与实验结果对比，有限元分析以第五支管4的柱节点4为例，如表1所示：

表1

其中，ret为实验值与设计内力值之比，ree为有限元分析值与设计内力值之比，括号内数值表示对应主管1变形为3％d(d为主管1直径)时的设计内力比值。表中可见，柱节点承载力值对应的主管1变形并未超过3％d的变形限值。

然后进行有限元分析值与计算公式计算结果的对比，计算处理数据如表2所示，表中p0、p1、p2分别表示图1中的原节点、图2中的主管1的柱节点1、图3中的第四支管2的柱节点2(即k型节点)的有限元分析结果，表中单位均为kn。

表2

由表2及表1统计可知，有限元值与实验值最大相对差值为14.3％，属于可接受范围，即计算公式结果与实验数据吻合度较高，具有实用价值。

本发明拟合出了空间复杂多支管柱节点极限承载力的计算公式，计算数据与实验数据误差较小，通过该公式进行计算可以为工程设计提供参考。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。