特殊约束条件下网架支座节点的分析与设计.pdf

建材世界 2 0 1 3 年第3 4 卷第3 期 d o i ：1 0 3 9 6 3 j i s s n1 6 7 4 6 0 6 6 2 0 1 3 0 3 0 2 6 特殊约束条件下网架支座节点的分析与设计 王建群1 ，赵琳2 ，陈庆生1 ，张文元2 ，潘蜀京1 ( 1 天津水泥工业设计研究院有限公司，天津3 0 0 4 0 0 ； 2 哈尔滨工业大学土木工程学院，哈尔滨1 5 0 0 0 6 ) 摘要： 分析了某跨度为7 0 5m 的水泥熟料库圆台形网架支座对网架结构整体性能的影响，提出了一种专门的 平面内径向可动、法向约束的螺栓球节点支座，建立了包括支座底板、加劲肋、锚栓、法向限位板等在内的A b a q u s 有 限元模型，并重点分析了节点的受力状态。结果表明，所提支座形式可以改善整体网架的经济性，并具有安全可靠的 受力性能。 关键词： 网架；滑动支座；支座节点设计；有限元分析 A n a l y s i s 锄dD 鹳i 弘o faN e w 聊eo fS u p p o r tU s e d i nS p a c eG r i dS t 川c t u r e s W A N G ，砌扩舛n 1 ，Z H A o L 切2 ，C H E NQ 竹g - s l 跏9 1 ，Z H A N GW 锄一y 抛n2 ，P A NS “0 i 咒9 1 ( LT i 画i nC e m e n tI n d u s t r yD e s 确R e S e a r c hh l s t i t u t eC o ，L t d ，T i a n j i l l3 0 0 4 0 0 ，C l i n a ； 2 S c h o o lo fC i v i lE r l g i n e e r i I l g ，H a r b i nI n s t i t u t eo fT e c l l l l o l o g y ，H a r b i n1 5 0 0 0 6 ，a _ l i l l a ) A b s t n 屺t ：I h s e do nt h ei n f l u e n c er e s u l t so ft h es u p p o r tc o n d i t i o n so nt h em e c h a I l i c a lb e h a v i o ra n de c o n o m i c a le f 矗一 c i e n c yo fa7 0 5ms p a J ls p a c eg r i ds t r u c t u r e 而t hs h a p eo fac i r c u l a rt 蝴t e dc o n e ，as p e c i a l 晶p p o r tL u l f i x e di nr a d i a l d i r e c t i o na n df i 砥di nn o m a li sp r e s e n t e dAf i m t ee l e m e n tm o d e li I l c l u d i I l gb a s ep l a t e ，s t i f f e n e r s ，a n c h o rb a r s ，a n d n o 咖a Is t o pp t a t e si sb u i l tu pb yu s i n gA b a q u sp r o g r a m ，a n dt h es t r e s sa n dd e f 0 n a t i o ns t a t e su r l d e rt l ep o s s i b l ed e - s i g nl o a dc o m b i n a t i o n sa r es t u d i e dd e t a i l e d l y I t i sp r o v e dt h a tt h i ss u p p o r tn o to n l yc a ni m p r o v et h ee c o n o m i c a le f f i c i e n c yo f t h es p a c eg r i ds t l l l c t u r e ，b u ta 1 S oh sr e l i a b l eb e a r i l l gc a p a c i t i e S K e yw 咖s ：s p a c eg r i ds t r t l c t u r e ； s l i d i I l gs u p p o r t ； d e s i g no fs u p p o r t ；f i n i t ee l e m e n ta m l y s i s 1 工程概况 在大跨度的工业建筑中( 如水泥熟料库等) ，逐渐开始使用具有自重轻、承载力大等 1 2 卓越性能的网架 结构。要求网架不但能够承担竖向荷载，还要具有承担一定水平荷载的能力，为网架支座设计增加了难度， 要求支座在水平双向能够满足某些特殊边界条件。该文以某7 0 5m 跨度的水泥熟料库为例，分析支座条 件对网架性能的影响，并重点对支座节点进行专门的有限元分析。该水泥熟料库网架屋盖为圆台形，Q 2 3 5 钢材，下部筒体壁厚为6 0 0m m ，网架锥面倾角约为3 2 。，锥顶平台直径1 3 7m ，整体锥面网架高度约2 0m 。 采用等截面的双层正放四角锥网架，网架详细尺寸如图1 所示。由于库内外温差较大，为了使温度变形得到 很好的释放，设计了一种能够沿径向滑动的支座，将网架下弦外环周边的1 8 个节点定义为支座，同时这些支 座还能够承担网架上部传来的水平荷载。 2 支座约束条件及其对网架性能的影响 在支座上施加竖向约束的同时，为使支座能够径向滑移而法向不动，整体分析建模中在每个支座上设置 收稿日期：2 0 1 3 _ 0 2 2 6 作者简介：王建群( 1 9 7 1 一) ，高级工程师E - I I l a i l ：w a I l 函i a n q u n s i n o m a _ t j c n 9 3 万方数据 建材世界2 0 1 3 年第3 4 卷第3 期 一一J 图l 网架的整体尺寸弹位：m m ) 了一个法向刚性系杆，并约束其远端的3 个平动位移。这样处理可以确保网架杆件内力不受温度荷载的影 响，并能承受锥顶平台上较大的水平力作用。支座法向刚性系杆的弹性模量为普通钢材的1 0 8 倍，可近似认 为是无穷大；线膨胀系数为o ，可确保其长度不受温度荷载的影响，不会产生附加内力；质量密度为o ，可确保 其重量不参与网架整体用钢量的统计；屈服点是普通钢材的1o o o 倍，确保其不会屈服或屈曲。 对网架支座沿径向施加弹性约束，考察支座径向约束条件对杆件内力、结构变形和水平反力等指标的影 响。表1 给出了径向刚度取不同数值时的计算结果。可以看出，减小支座水平径向刚度的做法能够确保经 济合理的结构设计指标。虽然支座径向刚度降为。时，下弦外环杆件的拉力很大，但可以通过增大内部相邻 两环截面面积的方法得到解决，整体用钢量也不会显著提高。同时，把支座设计为径向可以自由滑动的方 式，对下部结构没有抵抗推力的要求，不会增加其额外负担，简化了下部结构设计。 袭1 支座径向嘲度对网架的影响 支座径向刚度下弦外环最大下弦外环最大下弦最大温度结构最大竖向支座最大径支座最大法支座最大径毛用钢 ( k N m m l )拉力k N压力k N内力( 压) k N位移胁向位移m m 向反力k N 向反力k N量t 3 支座节点的有限元分析 钢管使用Q 2 3 5 B 级钢材，螺栓球采用满足国家标准的优质4 5 号钢。高强度螺栓经热处理后的抗拉强 度设计值 3 ：对4 0 C r 钢，4 0 B 钢与2 0 M n T i B 钢，取为4 3 0M P a ；对4 5 号钢，取为3 6 5M P a 。支座球节点直径 均为2 8 0m m 。杆件截面验算中的应力比控制在o 8 以内，确保结构具有足够的安全度。受拉杆件长细比 限值为1 5 0 ，受压杆件长细比限值为1 0 0 。考虑到网架锥顶平台处存在较多设备，对结构变形要求较为严格， 网架挠度按1 10 0 0 控制 4 | 。 3 1 网架支座节点的设计 采用如图2 所示的支座形式。 底板平面尺寸：径向边长4 3 0m m ，周向边长3 2 0m m 。底板厚3 0m m ，支座加劲肋厚2 5m m ，四个加劲 肋和中间圆管组成的十字形截面短柱高度2 5 0m m 。肋板最大宽厚比1 6 5 2 5 6 6 1 3 ，满足局部稳定要 求。设计中认为所有荷载均由四个加劲肋承担，因此中间圆管不必验算，取夺l o o 1 0 。支座加劲肋与底板 采用全熔透的坡口对接焊缝，以保证焊缝与加劲肋板等强。支座锚栓取为M 3 0 ，Q 2 3 5 B 钢材。长椭圆孔能 够实现径向滑动，其长度由温度组合下的最大变形确定，并伺时考虑了下部混凝土简体的温度变形。支座底 板下部采用摩擦系数极小的聚四氟乙烯垫层。支座法向采用限位板，厚度3 0m m ，此限位板在网架支座就 位、网架整体拼装完成后，采用现场点焊形式固定在库壁顶面混凝土的预埋板上，与网架底板接触一侧粘贴 9 4 万方数据 建材世界 2 0 1 3 年第3 4 卷第3 期 预埋钢板z om m 厚婴篷簇器鍪斧 ? 吕 ， 2 6 0 i 。 2 6q 4 粘聚四氟哆一i，侧向限位板 ?1 乙烯垫层 厚度3 0m m 、殳9 ， 侧向限位板鎏忒 导 掣 抑； 厚度3 0 叫，尊_ 。! 拿f 宝l民 一i I I 墼暑，外 、) r J 一十自一“c k 、 一n 6 衄厚聚四氟 高 ， ，一， ：， 。j 吐， 一 一 N 乙攀。器攀一殳篡鼍铲一 缈 一2 0m m 厚一 旨蟊 ，| 兰H 4 i 3 0 锚栓r 1甍 N 一 “ o !二。h i ，- 吐印，哑- o o ， 一，o o ，窆梨鏊藿P 盏 图2 网架支座形式 聚四氟乙烯板以减小摩擦，并适度顶紧，以保证水平力的有效传递。 3 2 支座节点的有限元建模 按网架计算结果，支座受力的设计值 5 按两种最不利情况考虑：1 ) 压力最大值7 8 9k N ，此时无水平力； 2 ) 法向水平力最大值1 6 0k N ，此时最小的压力为6 6 0k N 。 使用A b a q u s 通用有限元程序建立有限元模型，如图3 ( a ) 所示。支座球节点使用实体单元，支座底板、 加劲肋、短圆管支柱等采用壳单元。为模拟下部筒壁的钢筋混凝土，在支座下部设置了足够大的混凝土基 础，并在基础表面设置预埋钢板和侧向限位钢板，此部分亦采用实体单元。基础的宽度取筒体壁厚7 0 0m m ， 长度取为3 倍支座底板的宽度，高度取8 0 0m m ( 超过锚栓长度) 。由于网架支座向外移动的距离较大，故将 网架支座底板中心放置在距混凝土简体内壁3 0 0m m 、距外壁4 0 0m m 处。使用连接件单元模拟连接混凝 土基础与支座底板之间的锚栓，连接件的刚度设为锚栓的轴向刚度E A L ( 其中A 为锚栓直径，L 为锚栓在 基础混凝土顶面与底板上表面之间的长度，即预埋板与底板的厚度之和) ，此连接件仅具有轴向自由度，确保 支座滑动时对连接件没有影响，锚栓不受力。 l j _ 、- 、= 、一、，r ( a ) 支座模型( b ) 网架支座应力云图( c ) 预埋板及限位板应力云图 图3 网架支座的有限元模型和应力云图 模型的边界条件：在混凝土基础的底面施加三个方向的平动约束，在混凝土基础的一个侧面施加筒壁的 法向约束，以模拟空间不动的下部基础。在支座底板与混凝土基础表面之间设置无摩擦的接触面，同时为限 制支座底板在法向水平荷载作用下的自由移动，在支座底板的法向与限位块之间也设置接触面。这种处理 可以确保支座底板只能在径向滑动，而法向保持不动。水平荷载和竖向荷载均施加到支座球节点中心上。 为准确描述支座在径向的自由滑动，按设计荷载要求的竖向力和水平力施加完成之后，对支座的上部球体施 加径向8 0m m 的位移( 向外位移的最大值) ，用以观察计算模型的受力和变形等情况。 为保证计算精度，使用的网格密度较大，网架支座的球、加劲肋和底板等钢材零件的最大网格尺寸为 1 5m m ，下部混凝土基础的最大网格尺寸为3 0m m 。 3 3 网架支座的应力和变形 工况1 ) 作用下，支座的最大M i s e s 应力发生在竖向荷载作用的球体上，为1 6 9M P a ，这是由所使用的加 9 5 万方数据 建材世界 2 0 1 3 年第3 4 卷第3 期 载方式引起的，而支座加劲肋和支承短柱等关键部位的应力均不大，基本在8 0M P a 左右。工况2 ) 作用下的 应力云图如图3 ( b ) 所示，最大应力发生在支座加劲肋外边缘与底板相连接处，为2 1 9M P a ，其它位置的应力 均较小。最大应力是轴压与弯矩共同作用的结果，由于球体下加劲肋和支承圆管的刚度分布并不均匀，其数 值大于简化计算的结果，但能够满足Q 2 3 5 钢材的设计要求。 工况1 ) 轴压力作用下的支座仅有竖向变形，最大竖向变形为o 2 0 1m m ，数值很小，可以忽略。工况2 ) 轴压力和水平力共同作用下支座的最大合变形为o 5 0 5m m ，其中球节点中心处最大水平变形分量为 o 3m m 左右，为支座高度的1 9 3 3 ，数值仍然很小，能够满足设计要求。 3 4 限位板的应力 工况1 ) 作用下，支座没有法向运动趋势，限位板不受力。工况2 ) 作用下，限位板的最大M i s e s 应力在 4 0M P a 左右，远小于钢材强度设计值。限位板的应力最大点发生在加劲肋边缘处，此处支座底板的刚度最 大，是传递水平力的最直接位置，此点以外的限位板其它区域上的应力呈对称性逐渐降低，如图3 ( c ) 所示。 3 5 锚栓的受力分析 工况1 ) 作用下锚栓不受力。工况2 ) 作用下，受拉一侧两个锚栓的最大拉力分别为78 2 9 4 8N 和 51 3 3 1 2N ，距离加劲肋较近的锚栓拉力较大，较远的锚栓拉力较小。可以发现此数值明显小于初步设计时 的简化计算结果，这是由于简化计算时假定的混凝土受压区合力作用点的位置距离底板中心较近，使简化计 算结果偏于保守。 图4 给出了工况2 ) 作用下受拉一侧两个锚栓的拉力随 9 荷载步的变化规律。其中荷载