1．分析模型设计

图5—29　KK型搭接节点分析模型

在实际工程中，为便于管桁结构的加工与拼装，尽量避免来自两个方向支管的交叉搭接。为此设计了图5-29所示的两种分析模型。分析模型1：在X向有间隙，Y向四支管两两搭接，按照焊接次序不同，模型1分为两种搭接类型，一种为一侧支管贯通，另一种为对角支管贯通，各类型按照隐藏焊缝焊与不焊两种方式焊接，即KK-YH1-x，KK-YN1-x，KK-YH2-x，KK-YN2-x。分析模型2：在Y向有间隙，X向四支管两两搭接，按照焊接次序不同，模型2也分为两种搭接类型，一种为两受压或受拉支管贯通，另一种为对角支管贯通，各类型按照隐藏焊缝焊与不焊两种方式焊接，即：KK-YH1-y，KK-YN1-y，KK-YH2-y，KK-YN2-y。其中，YH代表搭接节点内隐藏焊缝焊接；YN代表搭接节点内隐藏焊缝不焊接。钢管采用Q235，主管219x8，支管121x5，Ф＝60°。弹性模量E＝206GPa，泊松比ν＝0．3。为产生两个方向的搭接，容许节点偏心。

2．分析单元的选取

节点的钢管采用ABAQUS中的4节点完全积分格式的壳单元S4，为满足一定的计算精度，在壳单元厚度方向采用9个积分点的Simpson积分。S4是一种通用的壳元，即允许沿厚度方向的剪切变形，随着壳厚度的变化，求解方法会自动服从厚壳理论或薄壳理论，当壳厚度很小时，剪切变形变得很小。同时，S4考虑了有限薄膜应变和大转动，属于有限应变壳单元，因此它适于包含大应变的分析。节点加载板的模拟采用8节点缩减积分格式的三维实体单元C3D8R。根据前人的研究，满足网格精度要求的线性单元与二次单元在节点分析中的差别不是很大，因此从精度要求和计算效率考虑，选用线性单元。

节点模型的网格划分，钢管和刚性加载板采用映射网格。为兼顾计算精度与计算效率，采用不同的网格密度。在节点域将网格适当加密，单元尺寸控制在15mm左右，靠近约束端附近可以视情况适当增大尺寸。

3．接触模拟

对于直接焊接连接的相贯线焊缝，ABAQUS分析中支主管均采用自由度耦合的办法处理，即认为焊缝连接处具有相同连续的自由度。采用约束命令（Constraint）中的TIE命令将接触面处的所有共用节点的自由度完全耦合起来。加载端板与支管的接触也采用自由度耦合的方法，对于钢管为壳单元（Shell）加载板为实体单元（Solid）的连接模拟，采用约束命令中的Shell-to-Solid Coupling选项来模拟壳单元与实体单元之间的焊接。

4．边界条件及加载方式(www.daowen.com)

图5—30　边界条件和加载方式

图5-30为KK型搭接节点的边界约束及加载方式示意图，在支管端设置为铰支座，主管只沿轴向产生位移，并在垂直于主管的节点中心施加恒定轴力N＝50k N（模拟檩条作用）。按此边界条件及加载方式，在ABAQUS中建立的有限元分析模型如图5-31所示。在各个支管的钢垫板底面中线上，施加1、2、3方向的位移约束，以模拟支管底部的铰支座。在主管上施加1、2方向的位移约束，放松3方向的位移。对于加载板设定为不可变形的弹性材料，弹性模量取为E＝1012N／mm2，泊松比为v＝0．0001，加载行程如图5-32所示。

图5—31　KK节点的有限元模型

5．求解器的选择

采用Newton-Raphson迭代法进行求解。在ABAQUS中采用自动增量步长法，即如果连续两个增量步小于5次迭代即收敛，则程序自动将增量提高50%；为了避免由于增量步过大造成收敛困难，可以设定最大增量步长。如果经过若干次迭代求解仍不能收敛，即放弃当前增量步，并将增量步减小为原来的25%重新计算，用较小的荷载增量步来寻求能够收敛的解答。一般在终止分析之前，允许最多5次减小增量步值。

图5—32　加载行程