大跨復雜斜撐鋼結構鑄鋼節點力學性能分析

　　摘要大跨斜撐鋼結構節點受力復雜且施工難度較大，其節點通常采用整體式鑄鋼節點。根據實際工程建立鑄鋼節點精細化有限元分析模型，研究結構施工過程中鑄鋼節點的力學性能和安全性能。選取四個關鍵施工階段，研究施工過程中鑄鋼節點關鍵部位應力及位移，同時分析壁厚和倒角半徑對鑄鋼節點受力性能的影響。結果表明：施工過程中，由于倒角部位截面剛度突變，部分出現應力集中現象，其余部位應力較小;施工過程中鑄鋼節點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雜斜撐鋼結構鑄鋼節點設計及施工提供參考。

　　關鍵詞鑄鋼節點，有限元分析，力學性能，施工階段

　　0引言

　　隨著大跨空間鋼結構發展迅速，結構形式趨于多樣化，節點形式也更加多樣和復雜⑷。其中鑄鋼節點是首選的節點形式之一⑵鑄鋼節點具有良好的加工性，適用于多種復雜建筑形式結構，由于在工廠內整體澆鑄，相對于其他節點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力集中⑶。

　　鑄鋼節點在實際荷載尤其在軸力和彎矩共同作用下的受力狀況十分復雜，因此對其力學性能和構造優化進行系統深入研究是十分有必要的"句。張月強⑹論述了大跨度鋼結構設計的基本步驟，總結了節點細部對結構受力性能的影響，提出對這些常見問題設計中注意事項和改進措施;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鍵節點進行建模并分析其構造的合理性，確保了節點的安全。徐士杰等囘以重慶江北機場航站樓為背景，使用有限元軟件建模和節點的荷載-位移曲線對比，對異形鑄鋼節點的使用和施工過程提出了優化建議。

　　綜上所述，國內很多學者依靠工程實例來進行鑄鋼節點的研究，但很少有學者涉及斜柱和框架梁相交處的鑄鋼節點，這類節點處框架梁和下部斜柱的交匯處，受力情況更加復雜。為深入了解其實際受力情況并為其他工程設計和施工提供建議，本文采用ANSYSWorkbench和MIDASGEN有限元軟件，針對應天門城樓關鍵部位的鑄鋼節點進行數值模擬分析，通過分析鑄鋼節點關鍵部位應力及位移，同時改變壁厚和倒角半徑等主要參數，研究大跨復雜斜撐鋼結構鑄鋼節點力學性能。

　　1工程概況

　　應天門遺址保護建筑是由城樓、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，城樓主體設計為地上四層，建筑物總高約40m。城樓空間結構跨度較大，交匯于節點的桿件數量較多，桿件截面也較大。城樓&22m以下鋼柱全為斜柱，鑄鋼節點、空間轉換桁架、框架梁作為上部鋼框架荷載向下部斜柱支撐系統的傳遞中樞，受力情況復雜，節點處彎矩較大，若采用一般形式的連接方式，將會影響結構的承載能力，且節點制造工藝復雜，施工難度大，導致造價成本高，工期長。因此，最終決定采用空心鑄鋼節點的連接形式，不僅保證了結構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，但由于鑄鋼節點受力復雜，梁單元不能有效模擬真實受力情況，故又主要運用有限元軟件ANSYSWorkbench對鑄鋼節點進行建模分析。該節點與多根空間桿件相互交匯，并且桿件之間存在多處倒角，桿件內部還設置有加勁肋，建模相對復雜，故先使用繪圖軟件AutoCAD建立節點的3D實體圖，然后導入軟件中，最后設置相關參數進行有限元分析。

　　本文選取城樓受力最大的鑄鋼節點，該鑄鋼節點位于距水平面上部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進行分析時，采用等向強化的VonMises屈服準則，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單元的選取及網格的劃分

　　在對鑄鋼節點進行有限元分析時，由于結構存在一定的壁厚，且多處出現倒角，節點各點應力情況較為復雜，故考慮三向應力，建立模型時應選用3D10節點四面體結構實體單元—SOLID92單元。本模型網格劃分方式選擇自由劃分，對實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

　　在對鑄鋼節點進行有限元分析時，主要選取了四個關鍵施工階段: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系。由于鑄鋼節點是空間中的非支座節點，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，對鑄鋼節點底部截面施加固定約束。其余各截面施加相應施工階段的荷載:軸力、剪力、彎矩根據各階段MIDASGEN中梁單元模型提取。

　　3施工過程鑄鋼節點力學性能分析

　　當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，此時鑄鋼節點僅受結構自重和預應力荷載的影響。

　　3.1應力分析

　　根據有限元模擬分析，各施工階段框架梁截面、鋼斜柱與圓管柱相交截面處應力較大，其余部分應力較小，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，出現應力集中現象。上部四根柱中，圓形截面柱應力大于方形截面柱應力，由于軸力較大，兩圓形柱軸向力遠大于兩方形柱軸向力。框架梁承受較大y向彎矩，故框架梁應力最大。同時，隨著上部荷載逐漸增大，斜柱應力也相應增大。

　　正常使用階段，框架梁大部分應力在61.2~152.9MPa之內，上部四根斜柱大部分應力在8.6-61.2MPa之內。以上結果可知，施工過程中，鑄鋼節點整體應力較小，且均小于材料的容許應力，鑄鋼節點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點變形影響較大，且圓形柱桿端彎矩大于方形柱桿端彎矩，故最大變形發生在圓柱柱頂位置。預應力張拉導致部分位移恢復，故預應力施加有利于結構變形。

　　4鑄鋼節點主要參數影響分析

　　根據相關研究3°)可知，影響鑄鋼節點承載力及力學性能的因素主要有鑄鋼材料的設計強度、鑄鋼件的壁厚、相連鑄鋼管之間的倒角半徑等。本文考慮鑄鋼節點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點應力及變形情況，從而為鑄鋼節點的優化設計提供參考。

　　5結論

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

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　　結構工程論文投稿刊物：《特種結構》(雙月刊)創刊于1984年，由北京市市政工程設計研究總院主辦。國內外公開發行的工程結構專業技術刊物�！短胤N結構》本刊是我國工程建設類核心期刊，連續多年被選列為中國科技論文統計源期刊，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術深度及水準，同時也很注重其科學性，實踐性和實用性。

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