钢结构节点细部分析

结构笔记张超绪论1.1.项目研究内容采用有限元法对桁架柱脚节点细部和桁架-环梁节点细部进行了以下计算分析：a)柱脚节点、桁架-环梁节点细部强度分析b)柱脚节点、桁架-环梁节点细部变形演算c)柱脚底板与混凝土表面接触分析报告对有限元分析的边界条件、单元选择、网格细化、模型简化、输入数据、计算的应力和变形结果、用到的符号、单位、坐标系、参考文献、材料特性、软件及版本都进行了详细的说明。1.2.报告中使用的单位表1报告中使用的单位名称单位弹性模量MPa泊松比-长度/位移mm质量T密度T/mm3重力加速度(9800mm/s2)mm/s21.3.报告中使用的坐标系本报告中使用的坐标系为整体直角坐标系，如图1所示：结构笔记张超图1模型整体坐标系1.4.材料参数表2节点的材料参数材料名称Q420σπµιν/(N/mm2)360结构笔记张超σt/(N/mm2)420Ε/(N/mm2)2.060E5mµ0.3密度ρ（T/mm3）7.85E-92.2.2.2.节点连接强度分析2.1.节点细部几何模型柱脚节点、桁架-环梁节点与周围构件组成一个完整的结构体系，这些部位力学响应较为复杂，对结构整体稳定性和刚度有较大的影响。建立节点三维几何模型，采用细部有限元法分析这些节点的连接强度是非常必要的。在进行节点细部连接分析时，根据计算目的，几何模型采用Autocad2006建立，如图2-1和图2-3所示。柱脚节点所包含的部件主要是柱脚底板、柱脚靴板、箱梁加劲板，柱脚锚栓（包含螺帽），除锚栓和下部混凝土以外，其他部件几何均为一体，用以模拟板件之间的焊缝连接。桁架-环梁节点主要包括环梁、竖向腹杆、下斜腹杆、水平弦杆，所有部件均作为一体。结构笔记张超图2-1柱脚节点整体几何模型结构笔记张超图2-2柱脚节点的锚栓几何模型图2-3桁架-环梁节点整体几何模型2.2.节点细部分析的有限元模型网格划分采用ANSA13.0.2版本，划分网格时，节点基本单元尺寸设置为40~60mm，锚栓与底板接触部位网格尺寸为20mm。表2-1是柱脚节点网格单元数目以及网格质量结构笔记张超统计表；有限元求解采用ABAQUS6.9-1版本，其有限元网格模型如图2-3所示。鉴于本次网格划分质量较高，计算中采用的单元类型设置为C3D8I（非协调元），在位移插值函数中增加无内部节点的附加自由度，在单元内部产生作用。对于板件类结构，采用较少层数的单元即可达到较高的分析精度，能有效避免单层缩减积分单元抵抗弯曲变形时的“零能模式”。模型求解过程考虑大位移效应（几何非线性），采用UL（UpdatedLagrange）格式进行迭代，控制流程如下式所示()()()(0,1,2,...)ttlttttltLtNLttKKuQFl+∆+∆+∆+∆=−=上式左端两刚度矩阵项分别由线性应变、非线性应变的转换矩阵和Cauchy应力向量的乘积在单元域内积分，然后集成而成的。右端第二项系统内力向量由线性应变转换矩阵和Cauchy应力矩阵的乘积在单元域内积分，然后集成而成的。式中各项左下标时间变量代表该张量的参考构型。表2-1柱脚节点细部有限元模型的网格组成有限元单元的体单元组成类型数目占单元总数百分比（%）单元总数90819100六面体（8节点）8770596.57五面体（6节点）31143.43网格质量检查结果质量检查参数分布范围占单元总数百分比（%）AspectRatio(体单元边长比)1～6（好）1006～8（较好）0SolidJacobian（雅可比）0.6～1.0（较好）93.37554Internalangle（内部角度）20～120（四面体）30～120（五面体）30～150（六面体）99.86结构笔记张超图2-4柱脚节点细部整体有限元网格模型图2-5内部加劲板网格模型结构笔记张超图2-6圆弧过渡处网格模型图2-7桁架-环梁节点细部整体有限元网格模型2.3.材料特性见1.4节。2.4.坐标系设置坐标系的设置方法同1.3节所述。2.5.边界条件2.5.1.整体梁系模型节点端部位移的施加在节点细部分析模型中，施加的载荷主要是与该节点相关的端部位移向量，在每个结构笔记张超中心控制点与节点关联构件端面建立MPC传递该位移向量，如图2-8和2-9所示图2-8柱脚节点端面位移向量施加模型结构笔记张超图2-9桁架-环梁节点端面位移向量施加模型2.5.2.节点细部重力的施加采用体积力（Gravity）的方式，在同一静力分析步中施加该节点细部的重力等效节点载荷。2.6.节点细部接触对的设置分析底板与混凝土梁的接触状态，须对底板下表面与混凝土梁上表面的连接采用接触对算法模拟；锚栓与周围混凝土孔侧面的粘结状态采用tie算法模拟；为改善模型的收敛性，锚栓螺母与底板采用tie算法模拟。底板下表面接触对的摩擦系数设置为0.35。具体约束如图2-10所示。结构笔记张超图2-10设置接触关系后的有限元模型2.7.计算结果2.7.1.节点细部强度计算结果结构笔记张超图2-11柱脚节点细部Mises应力云图（单位：N/mm2）Mises应力是描述钢材在三维应力状态下的等效标量，可以标定钢材初始屈服和屈服面的移动（硬化），具体格式如下式所示：1123vonijijijijmijmiiiisssσσσδσσσ==−=其中上式通过爱因斯坦求和约定能够展开成具体的表达式，引入张量形式可以缩减表达式长度，便于推导。图2-11显示柱脚节点最大Mises应力为317.1N/mm2，未超过Q420钢材的最小屈服应力360N/mm2，同时小于Q420材料的强度设计值325N/mm2。出现在下斜箱梁与柱脚底板的圆角特征边缘，该特征有效降低了应力集中效应，有利于增强该区域的疲劳强度。结构笔记张超图2-12桁架-环梁节点细部Mises应力云图（单位：N/mm2）图2-12显示桁架-环梁节点最大Mises应力为275.4N/mm2,出现在环梁与内部加劲板的交界处，未超过Q420材料的强度设计值325N/mm2，满足设计要求。图2-13柱脚节点细部S11应力云图（单位：N/mm2）S11云图显示柱脚节点细部沿整体系x轴的正向应力最大值出现在下斜箱梁截面上，反映了下斜箱梁在工况作用下的受拉响应。结构笔记张超图2-14桁架-环梁节点细部S11应力云图（单位：N/mm2）桁架-环梁节点S11出现在环梁顶部腹板，环梁顶部腹板沿整体系x轴仅在与竖向腹板交界区域受拉，其余大部处于受压状态。图2-15柱脚节点细部S22应力云图（单位：N/mm2）S22云图显示柱脚节点沿整体系y轴的正向应力最大值出现在靴板与柱脚底板交界的上表面，反映了靴板在节点复杂受力状态下所起到的加强作用。结构笔记张超图2-16桁架-环梁节点细部S22应力云图（单位：N/mm2）桁架-环梁节点S22最大值出现在环梁侧面腹板上，说明侧面腹板部分区域在竖向处于受拉状态，与内部加劲板交界处沿竖向处于受压状态。图2-17柱脚节点细部S33应力云图（单位：N/mm2）S33云图显示柱脚节点沿整体系z轴的正向应力最大值出现在圆角特征区域内，反映了下斜箱梁下侧腹板受载后的横向受拉变形效应。结构笔记张超图2-18桁架-环梁节点细部S33应力云图（单位：N/mm2）桁架-环梁节点S33最大值出现在下斜腹杆的拐角特征处，说明下斜腹杆拐角在桁架平面外方向（Z方向）主要处于受拉状态。2.7.2.节点细部变形计算结果图2-19柱脚节点细部变形前后对比图（变形缩放系数：100）结构笔记张超图2-20桁架-环梁节点细部变形前后对比图（变形缩放系数：200）图2-21柱脚节点细部最大主应变云图结构笔记张超图2-22柱脚节点细部中间主应变云图图2-23柱脚节点细部最小主应变云图结构笔记张超图2-24柱脚节点细部主应变矢量云图主应变云图表明，柱脚节点在沿其中两个主方向为拉伸变形。矢量云图中的箭头表明了主方向及其上主应变的大小，因此柱脚节点箱形梁节点端面的中间主应变绝对值相对其他两个主方向较小一些。结构笔记张超图2-25桁架-环梁节点细部主应变矢量云图桁架-环梁节点端面法向与最小主应变方向最接近，水平弦杆端面下部沿法向存在一部分受拉区域。2.7.3.底板与混凝土梁表面接触状态结果图2-26柱脚底板接触状态云图由接触非线性分析，COPEN云图显示了柱脚底板与混凝土表面表明的分离状况，柱脚节点受载后大部分区域处于紧密接触状态，出现极小负值的COPEN值是数值求解过程的误差造成的，属于可以接受的合理范围。结构笔记张超结论对于Q420钢材，其最小屈服强度为360N/mm2，《钢结构设计规范》对于板厚在50~100mm范围内的强度设计值规定为325N/mm2，计算得到的柱脚节点细部最大Mises应力为317.1N/mm2，未超过材料的强度设计值325N/mm2。计算得到的桁架-环梁节点细部最大Mises应力275.4N/mm2,未超过材料的强度设计值325N/mm2。接触非线性分析显示柱脚底板在该工况作用下与混凝土表面的最大间隙为0.7773mm。综上所述，柱脚节点和桁架-环梁节点设计合理，计算结果显示节点是安全的。Displaysthesolutionresultsaselementcontoursdiscontinuousacrosselementboundariesfortheselectedelements.Forexample,PLESOL,S,XdisplaystheXcomponentofstressS(i.e.