至德钢业通过计算机模拟不锈钢矩形管受弯承载力和变形能力

  浙江至德钢业有限公司在施工现场中对于不锈钢矩形管节点均在翼缘处开孔，这是为保证螺栓安装操作空间，翼缘开孔面积远小于腹板开孔面积，虽然腹板开孔对杆件受弯性能影响较小，但过大的开孔面积会影响杆件的拉压性能。无论翼缘开孔还是腹板开孔，都削弱了杆件截面，因此，本文中提出的节点形式，其受弯承载力、变形能力及杆件拉压性能均优于杆件开孔类节点。但由于该类节点形式的杆件端部与节点体并未顶紧，其初始抗弯刚度略低于顶紧的杆件开孔类节点。

  采用通用有限元软件对各组不锈钢矩形管试件进行有限元模拟，考虑对称性，仅对试件建模，模型尺寸与试件相同，有限元模型见图。试件采用实体单元杆件与螺栓采用六面体网格划分，节点体则采用四面体网格划分。对不锈钢矩形管的纯弯段进行了较细的网格尺寸划分，而非纯弯段则采用相对较粗的网格尺寸。杆件和节点的材料模型按材性试验结果设置。高强螺栓的材料采用双线性模型模拟，屈服强度900 MPa，极限强度1000 MPa，弹性模量210GPa，切线模量6700 MPa。有限元模型中主要有螺栓螺帽-端板内表面、螺母-端板外表面、螺母-螺母、螺杆-端板光圆孔壁、螺母-螺杆和螺杆-节点体等6种接触。考虑螺纹连接可靠有效，故螺母-螺杆和螺杆-节点体两类接触采用耦合简化模拟，其余4对接触均采用接触对单元进行模拟。

  有限元结果及与试验结果的对比各组不锈钢矩形管试件有限元分析得到的弯矩-转角曲线见图，可见有限元结果与试验结果总体上吻合良好，尤其是在曲线的初始段，有限元初始刚度与试验结果基本一致，但有限元模型的受弯承载力均略大于试验结果。其主要原因有: 节点为装配式，在装配过程中存在装配误差; 有限元模型对节点连接中的螺纹接触进行了简化处理; 分析中未考虑腹板与翼缘的材料性能差异。总体上，有限元模拟结果真实反映了节点的受弯性能，文中考虑了接触效应的非线性分析模型可用于下一步对该装配式节点受力性能的参数分析。

  针对不锈钢矩形管单层网壳，提出一种无需杆件开孔的杆件内预埋螺栓的装配式节点连接方案，具有杆件截面无削弱，构造简单、传力路径清晰，现场装配简单方便、拼装效率高，加工制作成本低等显著优点。四点弯曲试验结果表明，该类节点具有良好的受弯性能，节点抗弯能力随螺栓直径的增大、杆件端板厚度的增加以及杆件端板与节点体距离的减小而增强。与杆件开孔节点相比，文中提出的节点在受弯承载力及变形能力方面均具有优势，但初始抗弯刚度略低。不锈钢矩形管在弯矩作用下，节点失效模式主要包括杆件失效、螺栓失效及杆件端板失效。为充分发挥该类节点的受弯性能，设计时应尽量避免螺栓失效和端板失效。与试验结果的比较表明，考虑接触效应的非线性有限元模型可较好地模拟节点受弯性能。