焊接空心球节点承载能力的有限元分析

焊接空心球节点承载能力的有限元分析

摘要：对承受单向轴压的焊接球节点，本文在现有文献资料工作的基础上进

一步通过有限元分析的方法分析了承载能力的影响因素。通过对大量计算结果的

数值分析，对现有的承载力计算公式提出建议性的改进。

关键词：焊接空心球节点；承载能力；有限元分析

1 引言

随着现代建筑立面多样化的市场需求,钢筋混凝土坡屋面的应用越来越多。

一般将坡度小于5%的屋面称为平屋面，坡度大于10%的屋面称为坡屋面。坡屋面

根据坡面组织的不同可以分为单坡屋面、双坡屋面、四坡屋面及多坡屋面等。单

坡屋面多用于房屋为外走廊,进深比较小的建筑;双坡屋面及多坡屋面则用于建筑

立面要求比较丰富的别墅或其他建筑。

由于焊接空心球节点造价相对低廉、加工工艺较为简单，并且复杂节点中的

所有汇交杆件轴线均通过球节点中心线，可以有效避免节点偏心受力，因此球节

点在国内得到了广泛的应用。在我国焊接空心球节点的应用和研究已经展开多年，但随着新型结构形式的出现以及更为复杂的结构体系的诞生，关于焊接空心球节

点的研究理论也应该日臻成熟，因此关于焊接空心球节点的研究仍然十分必要。

2单向轴压作用下焊接空心球节点的承载能力

由于单向轴压作用的焊接空心球节点受力较为简单，现有研究较多较成熟，

并且我国网架和网壳结构规程均给出了轴力作用下圆钢管焊接球节点的承载力计

算公式，但随着试验研究的进行，目前仍有各种新的计算公式陆续提出。此外，

根据实际工程经验，目前的规程公式对于直径较大且壁厚较薄的焊接空心球节点

设计安全储备不足，这可能是由于球体壁厚对节点的破坏模式有较大影响。

为了进一步了解轴压作用下焊接球节点承载能力的影响因素，本章对140个

节点进行有限元分析(详见表2-1~表2-5)，节点的几何参数变化范围为:空心球

直径300mm≤D≤900mm，球径与壁厚之比为25≤D/t≤45，球径与钢管直径之比为2.4≤D/d≤4.0。

2.1有限元模型

本文通过有限元软件ABAQUS进行分析，采用理想弹塑性应力-应变关系和Von-Mises屈服准则，考虑几何非线性，不考虑焊缝和残余应力的影响，利用弧长法迭代跟踪节点的荷载位移全过程影响。计算时选取十节点修正二次四面体单元（C4D10M）,自由划分网格，模型见图2-1。分析时不考虑材料的硬化对节点承载力的有利影响，一是因为材料的差异性，二是可作为安全储备，使结构设计偏于安全。

图2-1 有限元模型

1.

1.

影响焊接球节点承载能力的因素分析

2.2.1 直径D的影响

为便于分析，将有限元结果P与的比值作为参数。图2-2给出不同径厚比时，直径D对焊接球承载力的影响。由图中可见，当相同时，不同直径D对应的参数基本在同一水平直线上，说明球径的变化对节点的承载力影响不大。

1.

D/t=25 （b）D/t=30

图2-2 不同径厚比时，直径对承载力的影响

2.2.2 径厚比D/t的影响

图2-3给出了不同径厚比D/t时焊接空心球节点承载力的变化。可以看出，随着径厚比D/t的增大，节点承载能力有所下降，但总体影响不大。网架规程和网壳规程给出的构造要求为网架和双层网壳空心球外径与壁厚之比宜取25~45，D/t=45时的承载力约为D/t=25时的85%~94%。此外，不同的D/d时，承载力随着D/t的增大均表现出下降的趋势，且下降幅度接近。总体看来，径厚比D/t对节点承载力的影响较小，但对于径厚比较大（D/t≥40时）的焊接空心球节点，可以在现有计算公式基础上考虑10%左右的折减。

图2-3 不同径厚比时承载力变化图

2.3.2 球径与管径D/d的影响

管径与球径之比d/D是影响焊接球节点承载力的重要因素之一，我国网架规

程和网壳规程均采用形式的承载力计算公式，其中A、B为待定系数。经过计算可知规程给出的计算公式作为节点承载力计算公式，与计算结果

的趋势基本上是符合的。本文利用140个有限元的计算结果，经过数据拟合，得

到一条直线，然后经过平移，保证95%以上的计算结果均在直线上方，此时直线

方程为0.25+0.57d/D。即给出规程中承载力计算公式的改进表达式：

1.

结论与展望

本文主要对焊接空心球节点进行了大量有限元分析，并对我国目前焊接空心

球研究现状进行了简单总结，得到如下主要结论：

41.采用十节点修正二次四面体单元（C4D10M）、理想弹塑性应力-应变关系

和Von-Mises屈服准则同时考虑几何非线性的影响，建立有限元分析模型，对影

响焊接空心球节点承载力的因素进行了大量的计算与分析。分析表明，影响焊接

球节点承载力的主要因素是管径和球径之比d/D，与球节点直径D和径厚比D/t

的关系较小，D/t=45时的承载力约为D/t=25时的85%~94%。

2.我国空间网格结构技术规程给出的空心球节点轴压作用下承载力计算公式

与计算结果基本吻合，但对于薄壁空心球节点（D/t=45）时，该公式偏于不安全。本文对140个球节点模型的计算结果进行数值拟合并保证95%以上的有限元结果

偏于安全，获得一个改进的承载力计算公式：

1.

目前对于焊接空心球节点的研究较多，本文也对单向轴压空心球节点进行了

大量的有限元计算与分析，但实际空间结构中球节点总是处于多向受力状态，因

此焊接球节点承载力的研究还需大量的试验与分析研究。

参考文献：

1.

梁彤辉.钢套管加固焊接空心球节点的承载力研究[D].浙江，绍兴文理学院，2021.

2.

董恒.H型钢杆件—焊接空心球节点单层网壳结构抗火性能研究[D].天津.天

津大学，2019.

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赵中伟，吴刚.锈蚀焊接空心球节点随机抗压承载力研究[J].工程力学. 2021,38(05):219-228+238.