郭宏亮赵瑛李朝阳

上海振华重工（集团）股份有限公司上海

摘要：文中提出了一种新型桁架结构节点-包容式节点，该节点使力流更平顺，减少了应力集中，同时还降低了焊接难度。通过对该新型节点和相贯节点进行了有限元分析和比较，并基于假设的数学模型进行了理论研究，对节点应力进行了一系列的推导分析。

关键词：包容式节点；相贯节点；应力；研究

中图分类号：TG文献标识码：A文章编号：-（）14--04

0引言

随着经济的发展，空间桁架结构已经被广泛使用；一般桁架结构较之箱形结构约轻25%～30%以上，且桁架结构迎风面积小，风阻小。在岸边集装箱起重机、轮胎式集装箱起重机等上采用桁架结构可大大减轻整机自重，减小轮压，节约成本。

在起重机械、工程机械以及有重型动载荷领域，设备存在工作工况和运输工况，工作工况又分不同幅度和不同吊载等工作级别，桁架结构的疲劳应力特别突出。在此情况下，桁架结构的关键问题有节点受力复杂、应力集中严重等，这些问题严重影响桁架结构的使用疲劳寿命。

在桁架结构中，相贯式节点应用比较广泛和成熟，世界各国钢结构规范都有规定和研究，尤其以美国钢结构焊接规范（AWS）介绍最详细。空间管接头焊接不同其他箱体焊缝，接头成形时的焊接，在空间上包含了俯焊、平焊和仰焊等，且支管和主管角度也在变化，导致即使同一位置也会有不同的焊接形式，焊接量大，焊接难度极高。相贯焊接工作必须是经过长期培训并通过特定考核的焊工才能操作，且要求焊工保持良好的状态，一般的焊工基本无法胜任（见图1）[1]。

基于以上传统节点，特别是相贯节点的难点和现状，本文提出了包容式管节点，旨在一方面降低焊接难度，使普通焊工就能操作胜任。另一方面使节点上力流平顺，降低应力集中系数，提高节点可靠性（见图2），在主管上贴一只鼓包型结构，支管不再与主管直接相贯连接，而与鼓包结构连接，支管力通过鼓包结构传递到主管上。包容节点上开孔，支管插入节点开孔中，支管和节点的焊接是普通的坡口角焊缝。

图1相贯节点焊缝细节

包容式节点属于全新的结构，无现有的规范或模型可以使用，类似于开孔薄壁球壳模型又不完全相同。即使用有限元分析，也不能完全和实际相符。不同的板厚有不一样的凸起程度，节点的承载能力都不一样，新节点带来使用上方便的同时，也伴随着同样的风险。因此，要安全使用包容式节点，必须知道该节点的承载能力。本文对相贯节点和包容节点进行了模型的假设、建立、对比分析，并从理论上进行公式推导，推导出确定节点上任意位置的最大应力的公式。

图2包容式管节点

1包容式管节点

包容式节点始见于日立岸边集装箱起重机的桁架结构大梁上，日本日立公司于20世纪80年代首次提到“有凸起的接头”（包容式节点），其优点在于与传统相贯节点相比，包容式节点上力流平顺，应力集中系数下降为30%。

包容式节点由钢板切割下料后加热后在专制的模具上由t压力机锻压而成，毛坯自然冷却后经冲砂、切飞边等工序成为成品，然后根据桁架节点处支管数量和位置进行机加工开孔，完成包容节点制造。图3、图4分别为包容节点制作流程。

图3包容式管节点锻造流程

图4包容节点开孔图

从形状上看，包容式节点是一种鼓包结构，增大了节点的局部面积。同时，由于其特殊的鼓包结构，类似于冲压板筋，增加了局部节点刚度，故包容式节点能更好地起到连接桁架的作用。

2包容式节点分析研究

2.1相贯节点和包容节点有限元分析对比

以某一段桁架节点为例，该节点处有4根支管和一根主管，主管直径mm，壁厚23mm；支管直径mm，壁厚16mm；模型设定主管力为t，支管力为96t，并分别承受拉力和压力（见图5）。

图6为相贯节点和包容节点有限元壳模型比较，从中可以看出，相贯连接时的最大应力集中约MPa，应力集中在主管和支管交接处；而包容节点连接式，最大应力集中MPa，最大应力集中在主管和包容节点交接处；包容节点应力集中比相贯节点应力集中减小非常明显。

图5模型假设

图6相贯节点和包容节点有限元模型对比

产生应力集中的主因有相贯节点一般要求全熔透焊缝、焊脚大、易产生形状突变和厚度差异等。而包容式管节点，焊缝通常比较小，不需要全熔透焊接，过渡比较平滑。另外，包容节点鼓包形状增大的节点面积，使同样的支管力平摊到更大的面积上，分散了局部的应力集中。另一方面，包容式节点和主管之间相当于形成了平顺的箱体结构，此节点结构无论从强度上还是刚度上都比相贯节点更强，对桁架支管力流传递更加平顺。

2.2数学模型的假设和理论研究

前述有限元分析是基于对包容式节点整个模型大面积进行分析，假定节点圆周固定，但节点本身由于类似于不规则的部分球壳，存在局部的形变稳定性，尤其是节点上支管数量并非一只的情况下，受力更加复杂。有限元壳模型只能从整体上反馈应力的趋势，不能精确确定局部稳定形变的临界点。因此，有必要用平面圆板小挠度理论对包容节点重新建立数学模型，对包容节点的实际受力进一步研究，使理论分析更贴合实际情况。从节点上截取支管（包容节点圆孔处）孔处一片圆形区域进行模型研究。模型可简单模拟为以环形板简支于外圆环上，令集中载荷W均匀分布在内圆周界上，如图7所示。求弯曲产生周向应力σt和径向应力σr。

图7环状板模型

根据小挠度弹性理论的板的微分方程，可求得

式中：t为模型板厚，D为弯曲刚度，Mt为周向或切向弯矩，Mr为径向弯矩，ν为应变，r为模型上某处距离模型中心的距离，ω为r处的挠度。

边界条件是Mr＝0，r＝R1，但根据小挠度弹性理论的板的微分方程可推导出

由此，最大轴向应力和最大径向应力分别为

根据式⒂、式⒃即可求得包容节点上任一位置处的应力。上述模型假设是以节点上支管开孔中心为圆心进行截取模型分段，当有两根支管时，须用上述公式分别对节点上的同一位置进行不同模型的计算，然后再进行叠加后取得。当支管更多时，以此类推，分别计算，逐个叠加。

3结论

本文提出了一种新型桁架用管节点-包容式节点，并通过有限元分析其集中应力情况，并与传统的相贯线节点进行比较。另外，从模型上截取典型区域进行理论分析和应力推导，为包容式节点的应力集中计算和校核提供了理论依据和支撑。总之，包容式管节点从设计上可平顺地进行力的传递，减少应力集中；从施工上可以降低焊工的操作难度，保证桁架节点的施工质量的可靠性，包容式管节点更有利于推广和应用。

参考文献

[1]AWSD1.1/D1.1M:StructuralWldingCode-Steel[S].

[2]刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，.