至德鋼業通過計算機模擬不銹鋼矩形管受彎承載力和變形能力

  浙江至德鋼業有限公司在施工現場中對于不銹鋼矩形管節點均在翼緣處開孔，這是為保證螺栓安裝操作空間，翼緣開孔面積遠小于腹板開孔面積，雖然腹板開孔對桿件受彎性能影響較小，但過大的開孔面積會影響桿件的拉壓性能。無論翼緣開孔還是腹板開孔，都削弱了桿件截面，因此，本文中提出的節點形式，其受彎承載力、變形能力及桿件拉壓性能均優于桿件開孔類節點。但由于該類節點形式的桿件端部與節點體并未頂緊，其初始抗彎剛度略低于頂緊的桿件開孔類節點。

  采用通用有限元軟件對各組不銹鋼矩形管試件進行有限元模擬，考慮對稱性，僅對試件建模，模型尺寸與試件相同，有限元模型見圖。試件采用實體單元桿件與螺栓采用六面體網格劃分，節點體則采用四面體網格劃分。對不銹鋼矩形管的純彎段進行了較細的網格尺寸劃分，而非純彎段則采用相對較粗的網格尺寸。桿件和節點的材料模型按材性試驗結果設置。高強螺栓的材料采用雙線性模型模擬，屈服強度900 MPa，極限強度1000 MPa，彈性模量210GPa，切線模量6700 MPa。有限元模型中主要有螺栓螺帽-端板內表面、螺母-端板外表面、螺母-螺母、螺桿-端板光圓孔壁、螺母-螺桿和螺桿-節點體等6種接觸?？紤]螺紋連接可靠有效，故螺母-螺桿和螺桿-節點體兩類接觸采用耦合簡化模擬，其余4對接觸均采用接觸對單元進行模擬。

  有限元結果及與試驗結果的對比各組不銹鋼矩形管試件有限元分析得到的彎矩-轉角曲線見圖，可見有限元結果與試驗結果總體上吻合良好，尤其是在曲線的初始段，有限元初始剛度與試驗結果基本一致，但有限元模型的受彎承載力均略大于試驗結果。其主要原因有: 節點為裝配式，在裝配過程中存在裝配誤差; 有限元模型對節點連接中的螺紋接觸進行了簡化處理; 分析中未考慮腹板與翼緣的材料性能差異?？傮w上，有限元模擬結果真實反映了節點的受彎性能，文中考慮了接觸效應的非線性分析模型可用于下一步對該裝配式節點受力性能的參數分析。

  針對不銹鋼矩形管單層網殼，提出一種無需桿件開孔的桿件內預埋螺栓的裝配式節點連接方案，具有桿件截面無削弱，構造簡單、傳力路徑清晰，現場裝配簡單方便、拼裝效率高，加工制作成本低等顯著優點。四點彎曲試驗結果表明，該類節點具有良好的受彎性能，節點抗彎能力隨螺栓直徑的增大、桿件端板厚度的增加以及桿件端板與節點體距離的減小而增強。與桿件開孔節點相比，文中提出的節點在受彎承載力及變形能力方面均具有優勢，但初始抗彎剛度略低。不銹鋼矩形管在彎矩作用下，節點失效模式主要包括桿件失效、螺栓失效及桿件端板失效。為充分發揮該類節點的受彎性能，設計時應盡量避免螺栓失效和端板失效。與試驗結果的比較表明，考慮接觸效應的非線性有限元模型可較好地模擬節點受彎性能。