网架球节点有限元应力分析

　　摘要：网架、网壳及空间桁架等大跨度空间钢结构在工程实际中有广泛的应用，由于大跨度空间结构杆系数量庞大，且一些重要的连接节点受力复杂，故手动计算这些空间结构困难较大，且结果难以保证，故一般采用软件有限元的方式进行结构分析。本文以天水体育场实际工程为背景，分析了不同焊接球节点支座的受力情况，得到了支座的应力分布规律，提出了优化建议，为后续工程设计提供参考。

　　关键词：大跨度空间结构;有限元分析;焊接球节点

　　1.概述

　　1.1钢结构在大跨度空间结构的优势

　　钢结构具有材料强度高，塑性、韧性好，材质均匀、工作可靠性高，且钢结构制作简便、施工周期短、良好的装配性又是绿色建筑，具备可持续发展的特性，故在在大跨度空间结构中有广泛的应用。例如上海师范学院球类房(我国第一座平板网架)，天津科学宫(焊接空心球节点斜放四角锥网架)，首都机场机库(三层斜放四角锥平板网架结构)，北京工人体育馆(柔性空间悬索结构)，深圳华侨城欢乐谷中心表演场(张拉膜结构)等[1]。

　　空间结构论文投稿刊物：空间结构主要刊登空间结构、钢和钢筋砼网架、网壳、组合杂结构及不同材料的组合空间结构、膜结构、索桁结构等方面的理论及分析、设计计算、建筑造型与艺术、试验与检测、施工安装工艺、新技术、连接构造、工程实例、企业管理经验、博、硕士生的优秀论文、国内外空间结构和闻新报导。

　　空间网格结构由于杆件数量庞大，节点形式多样，结构形式复杂，采用手算几乎无法实现，应根据结构的类型、平面形状、荷载形式及不同设计阶段等条件，可采用有限元法或基于连续化假定的方法进行计算，这为采用计算机程序化计算提供了便捷，按有限元法进行空间网格结构静力计算可采用下列基本方程[2]：KU=F，式中：K—空间网格结构总弹性刚度矩阵;

　　U—空间网格结构节点位移向量;

　　F—空间网格结构节点荷载向量。

　　1.2大型通用有限元软件ANSYS

　　ANSYS协同仿真环境技术以优化设计流程为目标，以客户化应用为手段，通过捕捉专家经验、规范设计流程、高可靠性的CAD/CAE互操作技术、高效率的优化技术、web技术等大幅缩短研发过程。构成协同仿真环境的CAE产品包括：结构分析体系、电磁场分析体系、流体力学分析体系、行业化定制模块、仿真模型建造系统、设计人员快捷分析工具箱、多目标快速优化工具、客户开发平台等。

　　其中结构分析体系包含强大的结构分析模块、冲击爆破模拟模块、高级疲劳分析模拟模块、机构动力学分析模拟模块。

　　对于重要的受力节点，例如多杆件交汇节点、支座节点等，由于其受力复杂，对整个结构安全有重要影响，故需进行局部节点的仔细分析以确保结构安全性。本文以天水体育场实际工程为背景，采用有限元分析软件ANSYS，模拟了网架几种典型支座节点的受力情况，初步得到支座节点应力的分布规律，并对后续优化提出一些建议。

　　2.有限元分析过程

　　按照支座模型的不同，共模拟了以下三种典型模型对应的应力分布：

　　2.1模型一(钢柱顶桁架支座，共计68处)

　　底板尺寸为0.6mx0.6m，底板厚50mm，沿底板四周布置4个加劲肋，加劲板厚均为50mm。球体外径为800mm，壁厚50mm，内设50mm厚加劲板，球下方圆柱体外径为246mm，壁厚为8mm，支座球外侧连接有三个网架弦杆件。

　　最大应力出现在背离斜撑一侧的加劲肋处，该加劲肋与底板相交部位应力较大，出现应力集中现象，该处应力值为212~240MP之间，整个球体本身应力没有超过80MP，故该处球体本身尚有优化空间，整个支座最大应力约为240MP，对于Q345钢材，当板厚为50mm时的抗压强度设计值为265MP，故满足承载力要求。

　　3.1模型二(斜撑顶桁架支座，44至80轴，共计33处)

　　模型二的几何尺寸与模型一类似，不同的是在底板处布置了6个加劲肋，其他几何参数参考模型一，得到的ANSYS几何模型、有限元模型及计算应力分布。

　　与模型一相比，该支座模型由原来的4块加劲板增加至6块后整个球体、底板及底板四周加劲肋均没有出现应力较大区域或者应力集中现象，应力分布与模型一比较更加均匀，受力性能得到改善，但加劲板及支座底板整个支座的应力较小，一般不会超过100MP，故该处加劲板有优化空间。与模型一类似，处于桁架斜杆对侧的加劲板应力较大。整个焊接球支座最大应力为360MP，该应力值出现在极个别的网格中，可以忽略，整个支座的应力值均在设计值范围内，故符合要求。

　　3.1模型三(斜撑顶桁架支座，1至35轴，共计33处)

　　模型三的几何尺寸与二类似，不同的是与模型一、二相比底板变为500×900，底板处布置了6个加劲肋，其他几何参数参考模型二，得到的ANSYS几何模型及有限元模型及计算应力分布。

　　模型三的应力分布情况和模型二类似，最大应力出现在球内部加劲肋处，而与网架杆件相对一侧的两个加劲肋与底板连接处应力较大，其值在160~200MP之间，均在设计值范围内。整个球、底板及底板四周加劲肋均没有出现应力较大区域或者应力集中现象，整个支座的应力也在设计值范围内，故符合要求。

　　4.结论

　　通过以上不同类型焊接球支座的有限元分析可得到以下结论：

　　1)支座加劲板最大应力出现在背离桁架斜杆一侧，靠近桁架斜杆一侧的加劲板应力较小，尚有优化空间;

　　2)支座底加劲板较少时，背离桁架斜杆一侧的加劲板与支座底板端部出现应力集中现象，当增加加劲板后，加劲肋均没有出现应力较大区域或者应力集中现象，应力分布更加均匀，受力性能得到改善，但此时加劲板应力较小，尚有优化空间;

　　3)几个典型焊接球节点球体本身的应力并不是很大，尚有优化空间。

　　5展望

　　1)本文在做有限元计算时桁架杆件、球支座、加劲板及支座底板的连接都统一按”体元”考虑，而实际是以焊缝连接，在受力后焊缝处的应力与母材必然有所差别，有必要在分析时以实际情况建立含有与焊缝相关的有限元进行分析，这样得到的结果更加贴近实际。

　　2)本文在设置支座底部边界约束条件时，统一按照“刚接”考虑，而实际支座在桁架杆件作用下底部与混凝土基础之间会有位移，这种位移会对整个支座的应力分布产生影响，故有必要在分析时考虑支座底板与混凝土基础之间的“接触”这样得到的结构将更加可靠。

　　参考文献

　　[1]赵风华.钢结构设计原理[M].北京：高等教育出版社，2005(:2-7).

　　[2]JGJ7-2010.空间网格结构技术规程[S].

　　作者：乔响平