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CN107944138B - 基于节点刚度的钢管节点应力集中系数计算方法 - Google Patents

基于节点刚度的钢管节点应力集中系数计算方法 Download PDF

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CN107944138B
CN107944138B CN201711178740.4A CN201711178740A CN107944138B CN 107944138 B CN107944138 B CN 107944138B CN 201711178740 A CN201711178740 A CN 201711178740A CN 107944138 B CN107944138 B CN 107944138B
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Abstract

本发明公开一种基于节点刚度的钢管节点应力集中系数计算方法，考虑钢管节点各主要刚度，包括主管径向刚度K 1、支管轴向刚度K 2、支管抗弯刚度K 3、主管抗弯刚度K 4、主管轴向刚度K 5和相贯焊缝沿支管轴向刚度K 6对钢管应力集中系数的影响及其相互耦合作用，并参照钢管节点各主要刚度比值对钢管节点应力集中系数的贡献度，引入各主要刚度比值对钢管节点应力集中系数的重要系数，进而得到基于节点刚度的钢管节点应力集中系数计算方法。本发明综合考虑影响钢管节点应力集中系数的当前所有基本参数和基本参数间的相互耦合作用，因而能够更全面地反映和评价钢管节点的应力集中程度。

Description

基于节点刚度的钢管节点应力集中系数计算方法
技术领域
本发明涉及钢管节点设计技术领域，特别是一种基于节点刚度的钢管节点应力集中系数计算方法。
背景技术
钢管节点具有外观简洁、传力路径明确、截面封闭易于抗腐、风阻系数较小等优点，因而广泛应用在大跨桥梁、建筑等领域。但是，由于钢管节点主、支管间的连接是一条曲率不断变化的空间曲线状相贯焊缝，因而容易在钢管节点某一区域产生应力集中，而应力集中程度的大小不仅会削弱钢管节点承载能力，而且会缩短其疲劳寿命。
当前针对钢管节点应力集中系数的计算方法，主要是基于单一参数—支管直径与主管直径之比β、主管直径与主管壁厚之比γ、支管壁厚与主管壁厚之比τ和主管与支管间夹角θ分析得到，忽略了上述不同参数对钢管节点应力集中系数的耦合影响，即变化其中一个参数会造成其它参数的变化。譬如，采用支管直径与主管直径之比β进行计算时，会造成主管直径与主管壁厚之比γ发生变化。因此，当前采用单一参数分析得到的钢管节点应力集中系数方法，无法全面把握钢管节点应力集中程度，甚至可能出现悖于设计人员对钢管节点应力集中程度的期望。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提出一种基于节点刚度的钢管节点应力集中系数计算方法，兼顾考虑当前影响钢管节点应力集中系数的所有几何参数，消除当前钢管节点应力集中系数计算方法无法考虑各参数间的耦合作用，整体把握钢管节点的应力集中程度。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于节点刚度的钢管节点应力集中系数计算方法，考虑钢管节点各主要刚度，包括主管径向刚度K1、支管轴向刚度K2、支管抗弯刚度K3、主管抗弯刚度K4、主管轴向刚度K5和相贯焊缝沿支管轴向刚度K6对钢管应力集中系数的影响及其相互耦合作用，钢管节点应力集中系数表达式如下：
Figure BDA0001478750600000011
其中，SCF为钢管节点应力集中系数；m1为支管轴向刚度K2与主管径向刚度K1之比对钢管节点应力集中系数的贡献度；m2为主管抗弯刚度K4与支管抗弯刚度K3之比对钢管节点应力集中系数的贡献度；m3为相贯焊缝沿支管轴向刚度K6与主管轴向刚度K5之比对钢管节点应力集中系数的贡献度。
进一步地，主管径向刚度K1、支管轴向刚度K2、支管抗弯刚度K3、主管抗弯刚度K4、主管轴向刚度K5和相贯焊缝沿支管轴向刚度K6对钢管应力集中系数的影响采用下式确定：
Figure BDA0001478750600000021
Figure BDA0001478750600000022
Figure BDA0001478750600000023
Figure BDA0001478750600000024
Figure BDA0001478750600000025
K6＝E(k1d+k2D)t tanθ
其中，E为钢管弹性模量；D为主管直径；d为支管直径；T为主管壁厚；t为支管壁厚；θ为主、支管轴线间夹角；k1为支管直径d对相贯焊缝长度的影响系数；k2为主管直径D对相贯焊缝长度的影响系数。
进一步地，利用已有钢管节点，统计其支管直径与相贯焊缝长度，并采用下面的线性回归方程，对支管直径与相贯焊缝长度间相关关系进行分析，最终回归计算得到支管直径d对相贯焊缝长度的影响系数k1：
L＝k1d
其中，L为相贯焊缝长度。
进一步地，利用已有钢管节点，统计其主管直径与相贯焊缝长度，并采用下面的线性回归方程，对主管直径与相贯焊缝长度间相关关系进行分析，最终回归计算得到主管直径D对相贯焊缝长度的影响系数k2：
L＝k2D
其中，L为相贯焊缝长度。
与现有技术相比，本发明具有有益效果：可以兼顾考虑当前影响钢管节点应力集中系数的所有几何参数，消除当前钢管节点应力集中系数计算方法无法考虑各几何参数间的耦合作用，整体把握钢管节点的应力集中程度。
附图说明
图1是本发明一实施例的钢管节点的主视图；
图2是本发明一实施例的钢管节点的侧视图；
图3是本发明一实施例的钢管节点的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，一种基于节点刚度的钢管节点应力集中系数计算方法，考虑钢管节点各主要刚度，包括主管径向刚度K1、支管轴向刚度K2、支管抗弯刚度K3、主管抗弯刚度K4、主管轴向刚度K5和相贯焊缝沿支管轴向刚度K6对钢管应力集中系数的影响及其相互耦合作用，钢管节点应力集中系数表达式如下：
Figure BDA0001478750600000031
其中，SCF为钢管节点应力集中系数；m1为支管轴向刚度K2与主管径向刚度K1之比对钢管节点应力集中系数的贡献度；m2为主管抗弯刚度K4与支管抗弯刚度K3之比对钢管节点应力集中系数的贡献度；m3为相贯焊缝沿支管轴向刚度K6与主管轴向刚度K5之比对钢管节点应力集中系数的贡献度。
在本实施例中，主管径向刚度K1、支管轴向刚度K2、支管抗弯刚度K3、主管抗弯刚度K4、主管轴向刚度K5和相贯焊缝沿支管轴向刚度K6对钢管应力集中系数的影响采用下式确定：
Figure BDA0001478750600000032
Figure BDA0001478750600000033
Figure BDA0001478750600000041
Figure BDA0001478750600000042
Figure BDA0001478750600000043
K6＝E(k1d+k2D)t tanθ
其中，E为钢管弹性模量；D为主管直径；d为支管直径；T为主管壁厚；t为支管壁厚；θ为主、支管轴线间夹角；k1为支管直径d对相贯焊缝长度的影响系数；k2为主管直径D对相贯焊缝长度的影响系数。
在本实施例中，利用已有钢管节点，统计其支管直径与相贯焊缝长度，并采用下面的线性回归方程，对支管直径与相贯焊缝长度间相关关系进行分析，最终回归计算得到支管直径d对相贯焊缝长度的影响系数k1：
L＝k1d
其中，L为相贯焊缝长度。
在本实施例中，利用已有钢管节点，统计其主管直径与相贯焊缝长度，并采用下面的线性回归方程，对主管直径与相贯焊缝长度间相关关系进行分析，最终回归计算得到主管直径D对相贯焊缝长度的影响系数k2：
L＝k2D
其中，L为相贯焊缝长度。
本发明采用钢管节点各主要刚度作为基本参数，根据钢管节点各主要刚度间的耦合关系构造得到钢管节点应力集中系数计算方法的基本计算模型，并参照钢管节点各主要刚度比值对钢管节点应力集中系数的贡献度，引入各主要刚度比值对钢管节点应力集中系数的重要系数，进而得到基于节点刚度的钢管节点应力集中系数计算方法。兼顾考虑当前影响钢管节点应力集中系数的所有几何参数，消除当前钢管节点应力集中系数计算方法无法考虑各几何参数间的耦合作用，整体把握钢管节点的应力集中程度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (4)

1.一种基于节点刚度的钢管节点应力集中系数计算方法，其特征在于，考虑钢管节点各主要刚度，包括主管径向刚度K1、支管轴向刚度K2、支管抗弯刚度K3、主管抗弯刚度K4、主管轴向刚度K5和相贯焊缝沿支管轴向刚度K6对钢管应力集中系数的影响及其相互耦合作用，钢管节点应力集中系数表达式如下：
Figure FDA0001478750590000011
其中，SCF为钢管节点应力集中系数；m1为支管轴向刚度K2与主管径向刚度K1之比对钢管节点应力集中系数的贡献度；m2为主管抗弯刚度K4与支管抗弯刚度K3之比对钢管节点应力集中系数的贡献度；m3为相贯焊缝沿支管轴向刚度K6与主管轴向刚度K5之比对钢管节点应力集中系数的贡献度。
2.根据权利要求1所述的钢管节点应力集中系数计算方法，其特征在于，主管径向刚度K1、支管轴向刚度K2、支管抗弯刚度K3、主管抗弯刚度K4、主管轴向刚度K5和相贯焊缝沿支管轴向刚度K6对钢管应力集中系数的影响采用下式确定：
Figure FDA0001478750590000012
Figure FDA0001478750590000013
Figure FDA0001478750590000014
Figure FDA0001478750590000015
Figure FDA0001478750590000016
K6＝E(k1d+k2D)ttanθ
其中，E为钢管弹性模量；D为主管直径；d为支管直径；T为主管壁厚；t为支管壁厚；θ为主、支管轴线间夹角；k1为支管直径d对相贯焊缝长度的影响系数；k2为主管直径D对相贯焊缝长度的影响系数。
3.根据权利要求2所述的钢管节点应力集中系数计算方法，其特征在于，利用已有钢管节点，统计其支管直径与相贯焊缝长度，并采用下面的线性回归方程，对支管直径与相贯焊缝长度间相关关系进行分析，最终回归计算得到支管直径d对相贯焊缝长度的影响系数k1：
L＝k1d
其中，L为相贯焊缝长度。
4.根据权利要求2所述的钢管节点应力集中系数计算方法，其特征在于，利用已有钢管节点，统计其主管直径与相贯焊缝长度，并采用下面的线性回归方程，对主管直径与相贯焊缝长度间相关关系进行分析，最终回归计算得到主管直径D对相贯焊缝长度的影响系数k2：
L＝k2D
其中，L为相贯焊缝长度。
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