大跨复杂斜撑钢结构铸钢节点力学性能分析

　　摘要大跨斜撑钢结构节点受力复杂且施工难度较大，其节点通常采用整体式铸钢节点。根据实际工程建立铸钢节点精细化有限元分析模型，研究结构施工过程中铸钢节点的力学性能和安全性能。选取四个关键施工阶段，研究施工过程中铸钢节点关键部位应力及位移，同时分析壁厚和倒角半径对铸钢节点受力性能的影响。结果表明：施工过程中，由于倒角部位截面刚度突变，部分出现应力集中现象，其余部位应力较小;施工过程中铸钢节点圆柱由于截面刚度较小，其端部变形较大。研究成果可为大跨复杂斜撑钢结构铸钢节点设计及施工提供参考。

　　关键词铸钢节点，有限元分析，力学性能，施工阶段

　　0引言

　　随着大跨空间钢结构发展迅速，结构形式趋于多样化，节点形式也更加多样和复杂⑷。其中铸钢节点是首选的节点形式之一⑵铸钢节点具有良好的加工性，适用于多种复杂建筑形式结构，由于在工厂内整体浇铸，相对于其他节点形式既美观又可以避免因相贯线切割及重叠焊缝焊接引起的应力集中⑶。

　　铸钢节点在实际荷载尤其在轴力和弯矩共同作用下的受力状况十分复杂，因此对其力学性能和构造优化进行系统深入研究是十分有必要的"句。张月强⑹论述了大跨度钢结构设计的基本步骤，总结了节点细部对结构受力性能的影响，提出对这些常见问题设计中注意事项和改进措施;彭翼等⑺以苏州站为背景，利用有限元软件对受力集中的关键节点进行建模并分析其构造的合理性，确保了节点的安全。徐士杰等囘以重庆江北机场航站楼为背景，使用有限元软件建模和节点的荷载-位移曲线对比，对异形铸钢节点的使用和施工过程提出了优化建议。

　　综上所述，国内很多学者依靠工程实例来进行铸钢节点的研究，但很少有学者涉及斜柱和框架梁相交处的铸钢节点，这类节点处框架梁和下部斜柱的交汇处，受力情况更加复杂。为深入了解其实际受力情况并为其他工程设计和施工提供建议，本文采用ANSYSWorkbench和MIDASGEN有限元软件，针对应天门城楼关键部位的铸钢节点进行数值模拟分析，通过分析铸钢节点关键部位应力及位移，同时改变壁厚和倒角半径等主要参数，研究大跨复杂斜撑钢结构铸钢节点力学性能。

　　1工程概况

　　应天门遗址保护建筑是由城楼、东西对称的阙楼和朵楼组成的“门”字形巨大建筑群。本文主要研究建筑群的城楼，城楼主体设计为地上四层，建筑物总高约40m。城楼空间结构跨度较大，交汇于节点的杆件数量较多，杆件截面也较大。城楼&22m以下钢柱全为斜柱，铸钢节点、空间转换桁架、框架梁作为上部钢框架荷载向下部斜柱支撑系统的传递中枢，受力情况复杂，节点处弯矩较大，若采用一般形式的连接方式，将会影响结构的承载能力，且节点制造工艺复杂，施工难度大，导致造价成本高，工期长。因此，最终决定采用空心铸钢节点的连接形式，不仅保证了结构受力合理性和整体性，又满足工期要求。

　　2有限元模型的建立

　　本文先在MIDASGEN中建立整体模型，其中铸钢部分是用梁单元建立，如图2所示，但由于铸钢节点受力复杂，梁单元不能有效模拟真实受力情况，故又主要运用有限元软件ANSYSWorkbench对铸钢节点进行建模分析。该节点与多根空间杆件相互交汇，并且杆件之间存在多处倒角，杆件内部还设置有加劲肋，建模相对复杂，故先使用绘图软件AutoCAD建立节点的3D实体图，然后导入软件中，最后设置相关参数进行有限元分析。

　　本文选取城楼受力最大的铸钢节点，该铸钢节点位于距水平面上部8.720m处，其上部分别连接框架梁(箱形截面1000x600x40x40)、两箱形截面柱(450x450x18x18)以及两管形截面柱(500x25)，下部连接框架柱(箱形截面1000x800x60x60)o由设计可知，城楼铸钢件采用DIN10293中的G20Mn5材料，此材料具有良好的焊接性能。在使用有限元软件ANSYSWorkbench进行分析时，采用等向强化的VonMises屈服准则，为简化计算，考虑铸钢材料为弹性材料，不考虑材料的几何非线性和材料非线性。

　　2.1单元的选取及网格的划分

　　在对铸钢节点进行有限元分析时，由于结构存在一定的壁厚，且多处出现倒角，节点各点应力情况较为复杂，故考虑三向应力，建立模型时应选用3D10节点四面体结构实体单元—SOLID92单元。本模型网格划分方式选择自由划分，对实体几何模型无特殊要求，定义单元边长10mm。

　　2.2边界条件及荷载的施加

　　在对铸钢节点进行有限元分析时，主要选取了四个关键施工阶段:施工阶段7、施工阶段13、施工阶段14和施工阶段16o在有限元软件中建立各杆件的局部坐标系。由于铸钢节点是空间中的非支座节点，各杆系为空间交汇力系，为消除有限元计算中刚度矩阵的奇异性，对铸钢节点底部截面施加固定约束。其余各截面施加相应施工阶段的荷载:轴力、剪力、弯矩根据各阶段MIDASGEN中梁单元模型提取。

　　3施工过程铸钢节点力学性能分析

　　当不考虑材料的非线性时，城楼整体受力情况仅受施工过程的影响，此时铸钢节点仅受结构自重和预应力荷载的影响。

　　3.1应力分析

　　根据有限元模拟分析，各施工阶段框架梁截面、钢斜柱与圆管柱相交截面处应力较大，其余部分应力较小，由于框架梁截面处及钢斜柱与圆管柱相交部位存在几何形状突变，出现应力集中现象。上部四根柱中，圆形截面柱应力大于方形截面柱应力，由于轴力较大，两圆形柱轴向力远大于两方形柱轴向力。框架梁承受较大y向弯矩，故框架梁应力最大。同时，随着上部荷载逐渐增大，斜柱应力也相应增大。

　　正常使用阶段，框架梁大部分应力在61.2~152.9MPa之内，上部四根斜柱大部分应力在8.6-61.2MPa之内。以上结果可知，施工过程中，铸钢节点整体应力较小，且均小于材料的容许应力，铸钢节点受力合理且较为安全。

　　3.2变形分析

　　上部变形大于下部变形，越靠近加载面变形越大。由于上部四根柱的杆端弯矩对铸钢节点变形影响较大，且圆形柱杆端弯矩大于方形柱杆端弯矩，故最大变形发生在圆柱柱顶位置。预应力张拉导致部分位移恢复，故预应力施加有利于结构变形。

　　4铸钢节点主要参数影响分析

　　根据相关研究3°)可知，影响铸钢节点承载力及力学性能的因素主要有铸钢材料的设计强度、铸钢件的壁厚、相连铸钢管之间的倒角半径等。本文考虑铸钢节点材料非线性和几何非线性，同时改变各斜柱的壁厚和倒角半径，观察不同施工阶段下铸钢节点应力及变形情况，从而为铸钢节点的优化设计提供参考。

　　5结论

　　(1)施工过程中，除部分倒角部位出现了应力集中现象以外，应力为281.6MPa，接近材料强度设计值，其余部位应力较小，最不利工况下，框架梁应力在152.9MPa范围内，斜柱应力低于61.2MPa，结构受力合理且较为安全。(2)铸钢节点安装后首次浇筑楼板时变形较大，后续上部结构施工引起变形较小，主要是由于杆端弯矩对铸钢节点变形影响较大，轴力对其影响较小，预应力张拉导致部分位移恢复;由于圆柱杆端弯矩及轴力大于方柱，施工过程中铸钢节点圆柱端部变形较大。(3)铸钢节点斜柱和框架梁截面厚度变化对其应力和变形影响较大，厚度变化量约为25%时，应力变化量最大为20%，变形量最大为14%;铸钢节点倒角半径减小，由于应力集中，应力增大;倒角半径对铸钢节点应力集中区域应力影响较大，而对结构整体应力和变形影响较小。

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　　结构工程论文投稿刊物：《特种结构》(双月刊)创刊于1984年，由北京市市政工程设计研究总院主办。国内外公开发行的工程结构专业技术刊物。《特种结构》本刊是我国工程建设类核心期刊，连续多年被选列为中国科技论文统计源期刊，又成为美国工程信息(EI)的入选刊物。建筑期刊本刊重视文摘的学术深度及水准，同时也很注重其科学性，实践性和实用性。

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