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网架球节点有限元应力分析

时间:2020年06月23日 所属分类:推荐论文 点击次数:

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

  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

空间结构

  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