大跨復(fù)雜斜撐鋼結(jié)構(gòu)鑄鋼節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能分析

　　摘要大跨斜撐鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)受力復(fù)雜且施工難度較大，其節(jié)點(diǎn)通常采用整體式鑄鋼節(jié)點(diǎn)。根據(jù)實(shí)際工程建立鑄鋼節(jié)點(diǎn)精細(xì)化有限元分析模型，研究結(jié)構(gòu)施工過程中鑄鋼節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能和安全性能。選取四個關(guān)鍵施工階段，研究施工過程中鑄鋼節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵部位應(yīng)力及位移，同時分析壁厚和倒角半徑對鑄鋼節(jié)點(diǎn)受力性能的影響。結(jié)果表明：施工過程中，由于倒角部位截面剛度突變，部分出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，其余部位應(yīng)力較小;施工過程中鑄鋼節(jié)點(diǎn)圓柱由于截面剛度較小，其端部變形較大。研究成果可為大跨復(fù)雜斜撐鋼結(jié)構(gòu)鑄鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計及施工提供參考。

　　關(guān)鍵詞鑄鋼節(jié)點(diǎn)，有限元分析，力學(xué)性能，施工階段

　　0引言

　　隨著大跨空間鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展迅速，結(jié)構(gòu)形式趨于多樣化，節(jié)點(diǎn)形式也更加多樣和復(fù)雜⑷。其中鑄鋼節(jié)點(diǎn)是首選的節(jié)點(diǎn)形式之一⑵鑄鋼節(jié)點(diǎn)具有良好的加工性，適用于多種復(fù)雜建筑形式結(jié)構(gòu)，由于在工廠內(nèi)整體澆鑄，相對于其他節(jié)點(diǎn)形式既美觀又可以避免因相貫線切割及重疊焊縫焊接引起的應(yīng)力集中⑶。

　　鑄鋼節(jié)點(diǎn)在實(shí)際荷載尤其在軸力和彎矩共同作用下的受力狀況十分復(fù)雜，因此對其力學(xué)性能和構(gòu)造優(yōu)化進(jìn)行系統(tǒng)深入研究是十分有必要的"句。張?jiān)聫?qiáng)⑹論述了大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本步驟，總結(jié)了節(jié)點(diǎn)細(xì)部對結(jié)構(gòu)受力性能的影響，提出對這些常見問題設(shè)計中注意事項(xiàng)和改進(jìn)措施;彭翼等⑺以蘇州站為背景，利用有限元軟件對受力集中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模并分析其構(gòu)造的合理性，確保了節(jié)點(diǎn)的安全。徐士杰等囘以重慶江北機(jī)場航站樓為背景，使用有限元軟件建模和節(jié)點(diǎn)的荷載-位移曲線對比，對異形鑄鋼節(jié)點(diǎn)的使用和施工過程提出了優(yōu)化建議。

　　綜上所述，國內(nèi)很多學(xué)者依靠工程實(shí)例來進(jìn)行鑄鋼節(jié)點(diǎn)的研究，但很少有學(xué)者涉及斜柱和框架梁相交處的鑄鋼節(jié)點(diǎn)，這類節(jié)點(diǎn)處框架梁和下部斜柱的交匯處，受力情況更加復(fù)雜。為深入了解其實(shí)際受力情況并為其他工程設(shè)計和施工提供建議，本文采用ANSYSWorkbench和MIDASGEN有限元軟件，針對應(yīng)天門城樓關(guān)鍵部位的鑄鋼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過分析鑄鋼節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵部位應(yīng)力及位移，同時改變壁厚和倒角半徑等主要參數(shù)，研究大跨復(fù)雜斜撐鋼結(jié)構(gòu)鑄鋼節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能。

　　1工程概況

　　應(yīng)天門遺址保護(hù)建筑是由城樓、東西對稱的闕樓和朵樓組成的“門”字形巨大建筑群。本文主要研究建筑群的城樓，城樓主體設(shè)計為地上四層，建筑物總高約40m。城樓空間結(jié)構(gòu)跨度較大，交匯于節(jié)點(diǎn)的桿件數(shù)量較多，桿件截面也較大。城樓&22m以下鋼柱全為斜柱，鑄鋼節(jié)點(diǎn)、空間轉(zhuǎn)換桁架、框架梁作為上部鋼框架荷載向下部斜柱支撐系統(tǒng)的傳遞中樞，受力情況復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)處彎矩較大，若采用一般形式的連接方式，將會影響結(jié)構(gòu)的承載能力，且節(jié)點(diǎn)制造工藝復(fù)雜，施工難度大，導(dǎo)致造價成本高，工期長。因此，最終決定采用空心鑄鋼節(jié)點(diǎn)的連接形式，不僅保證了結(jié)構(gòu)受力合理性和整體性，又滿足工期要求。

　　2有限元模型的建立

　　本文先在MIDASGEN中建立整體模型，其中鑄鋼部分是用梁單元建立，如圖2所示，但由于鑄鋼節(jié)點(diǎn)受力復(fù)雜，梁單元不能有效模擬真實(shí)受力情況，故又主要運(yùn)用有限元軟件ANSYSWorkbench對鑄鋼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模分析。該節(jié)點(diǎn)與多根空間桿件相互交匯，并且桿件之間存在多處倒角，桿件內(nèi)部還設(shè)置有加勁肋，建模相對復(fù)雜，故先使用繪圖軟件AutoCAD建立節(jié)點(diǎn)的3D實(shí)體圖，然后導(dǎo)入軟件中，最后設(shè)置相關(guān)參數(shù)進(jìn)行有限元分析。

　　本文選取城樓受力最大的鑄鋼節(jié)點(diǎn)，該鑄鋼節(jié)點(diǎn)位于距水平面上部8.720m處，其上部分別連接框架梁(箱形截面1000x600x40x40)、兩箱形截面柱(450x450x18x18)以及兩管形截面柱(500x25)，下部連接框架柱(箱形截面1000x800x60x60)o由設(shè)計可知，城樓鑄鋼件采用DIN10293中的G20Mn5材料，此材料具有良好的焊接性能。在使用有限元軟件ANSYSWorkbench進(jìn)行分析時，采用等向強(qiáng)化的VonMises屈服準(zhǔn)則，為簡化計算，考慮鑄鋼材料為彈性材料，不考慮材料的幾何非線性和材料非線性。

　　2.1單元的選取及網(wǎng)格的劃分

　　在對鑄鋼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析時，由于結(jié)構(gòu)存在一定的壁厚，且多處出現(xiàn)倒角，節(jié)點(diǎn)各點(diǎn)應(yīng)力情況較為復(fù)雜，故考慮三向應(yīng)力，建立模型時應(yīng)選用3D10節(jié)點(diǎn)四面體結(jié)構(gòu)實(shí)體單元—SOLID92單元。本模型網(wǎng)格劃分方式選擇自由劃分，對實(shí)體幾何模型無特殊要求，定義單元邊長10mm。

　　2.2邊界條件及荷載的施加

　　在對鑄鋼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析時，主要選取了四個關(guān)鍵施工階段:施工階段7、施工階段13、施工階段14和施工階段16o在有限元軟件中建立各桿件的局部坐標(biāo)系。由于鑄鋼節(jié)點(diǎn)是空間中的非支座節(jié)點(diǎn)，各桿系為空間交匯力系，為消除有限元計算中剛度矩陣的奇異性，對鑄鋼節(jié)點(diǎn)底部截面施加固定約束。其余各截面施加相應(yīng)施工階段的荷載:軸力、剪力、彎矩根據(jù)各階段MIDASGEN中梁單元模型提取。

　　3施工過程鑄鋼節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能分析

　　當(dāng)不考慮材料的非線性時，城樓整體受力情況僅受施工過程的影響，此時鑄鋼節(jié)點(diǎn)僅受結(jié)構(gòu)自重和預(yù)應(yīng)力荷載的影響。

　　3.1應(yīng)力分析

　　根據(jù)有限元模擬分析，各施工階段框架梁截面、鋼斜柱與圓管柱相交截面處應(yīng)力較大，其余部分應(yīng)力較小，由于框架梁截面處及鋼斜柱與圓管柱相交部位存在幾何形狀突變，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。上部四根柱中，圓形截面柱應(yīng)力大于方形截面柱應(yīng)力，由于軸力較大，兩圓形柱軸向力遠(yuǎn)大于兩方形柱軸向力�？蚣芰撼惺茌^大y向彎矩，故框架梁應(yīng)力最大。同時，隨著上部荷載逐漸增大，斜柱應(yīng)力也相應(yīng)增大。

　　正常使用階段，框架梁大部分應(yīng)力在61.2~152.9MPa之內(nèi)，上部四根斜柱大部分應(yīng)力在8.6-61.2MPa之內(nèi)。以上結(jié)果可知，施工過程中，鑄鋼節(jié)點(diǎn)整體應(yīng)力較小，且均小于材料的容許應(yīng)力，鑄鋼節(jié)點(diǎn)受力合理且較為安全。

　　3.2變形分析

　　上部變形大于下部變形，越靠近加載面變形越大。由于上部四根柱的桿端彎矩對鑄鋼節(jié)點(diǎn)變形影響較大，且圓形柱桿端彎矩大于方形柱桿端彎矩，故最大變形發(fā)生在圓柱柱頂位置。預(yù)應(yīng)力張拉導(dǎo)致部分位移恢復(fù)，故預(yù)應(yīng)力施加有利于結(jié)構(gòu)變形。

　　4鑄鋼節(jié)點(diǎn)主要參數(shù)影響分析

　　根據(jù)相關(guān)研究3°)可知，影響鑄鋼節(jié)點(diǎn)承載力及力學(xué)性能的因素主要有鑄鋼材料的設(shè)計強(qiáng)度、鑄鋼件的壁厚、相連鑄鋼管之間的倒角半徑等。本文考慮鑄鋼節(jié)點(diǎn)材料非線性和幾何非線性，同時改變各斜柱的壁厚和倒角半徑，觀察不同施工階段下鑄鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)力及變形情況，從而為鑄鋼節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

　　5結(jié)論

　　(1)施工過程中，除部分倒角部位出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象以外，應(yīng)力為281.6MPa，接近材料強(qiáng)度設(shè)計值，其余部位應(yīng)力較小，最不利工況下，框架梁應(yīng)力在152.9MPa范圍內(nèi)，斜柱應(yīng)力低于61.2MPa，結(jié)構(gòu)受力合理且較為安全。(2)鑄鋼節(jié)點(diǎn)安裝后首次澆筑樓板時變形較大，后續(xù)上部結(jié)構(gòu)施工引起變形較小，主要是由于桿端彎矩對鑄鋼節(jié)點(diǎn)變形影響較大，軸力對其影響較小，預(yù)應(yīng)力張拉導(dǎo)致部分位移恢復(fù);由于圓柱桿端彎矩及軸力大于方柱，施工過程中鑄鋼節(jié)點(diǎn)圓柱端部變形較大。(3)鑄鋼節(jié)點(diǎn)斜柱和框架梁截面厚度變化對其應(yīng)力和變形影響較大，厚度變化量約為25%時，應(yīng)力變化量最大為20%，變形量最大為14%;鑄鋼節(jié)點(diǎn)倒角半徑減小，由于應(yīng)力集中，應(yīng)力增大;倒角半徑對鑄鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中區(qū)域應(yīng)力影響較大，而對結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力和變形影響較小。

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　　結(jié)構(gòu)工程論文投稿刊物：《特種結(jié)構(gòu)》(雙月刊)創(chuàng)刊于1984年，由北京市市政工程設(shè)計研究總院主辦。國內(nèi)外公開發(fā)行的工程結(jié)構(gòu)專業(yè)技術(shù)刊物。《特種結(jié)構(gòu)》本刊是我國工程建設(shè)類核心期刊，連續(xù)多年被選列為中國科技論文統(tǒng)計源期刊，又成為美國工程信息(EI)的入選刊物。建筑期刊本刊重視文摘的學(xué)術(shù)深度及水準(zhǔn)，同時也很注重其科學(xué)性，實(shí)踐性和實(shí)用性。

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