屋盖网架与支座节点有限元分析.pdf

2 0 1 3 N o 5 刘尚伦 等 屋盖网架与支座节点有限元分析 5 9 能 可以作为设计 分析与校 核 下部多点支 承的单 向网架的柱子 在受力上属 于排架柱 在框架设计时 应以排架柱的要求进行设计与校核 本工程网架设 计先按照支座假定为弹簧 网架单独计算 其次进行 整体计算 与单独 网架模型计算结果进行对 比分析 以便设计 2 2 1 支座约束刚度 根据有关设计规程与工程实例 本工程支座采 用板式橡胶支 座 相关 技术参数按照 网架结构设 计与施工规程 要求进行计算 首先以单独网架模 型计算 根据荷载作用下支座反力大小 确定选取的 橡胶支座规格及其等效刚度参数 见表 1 表 1 橡胶支座技术参数 弹簧的刚度由橡胶垫板 的刚度和支撑柱的刚度 共同决定 根据 串联弹性元件的原理 计算出弹簧 的 刚度数值 进行网架结构计算 经过多次计算 优选 出杆件截面和焊接球 规格 在 Mi d a s G E N程序中 用两端铰接的梁单元模拟 网架杆件 下部框架按照 设计截面输入 框架柱与网架节 点之间采用弹性连 接单元模拟 输入的刚度采用表 1的数值 本文在 分析时参照支座节 点的实际构造 在相关节点假定 双向铰接 的约束方 式进行计算 因为虽然在程序 中 支座约束全部输入弹簧刚度后可以计算 但是实际 情况是网架整体式浮动体系 属于约束不稳体系 因 而在局部支座采用双向铰接约束进行计算 整体网 架计算模型如图 3所示 2 2 2指 标对 比分 析 1 自振频率与振型 选取两种计算 模型的前 3 O阶 自振频率关系 曲 线进行对 比 如图4所示 从图中可知 两种模型的 自振频率较接近且 具有 相同的变 化趋势 结构频率 在前 2 0阶较密集 各阶频率是连续平稳变化的 在 前5阶频率几乎相同 说明单独计算和整体模型的 基本振型二者保持一致 两种计算模型自振频率数 值接近并且变化趋势一致 此现象表明网架受下部 框架柱的影响不明显 网架单独计算时的弹簧支座 约束假定计算在 自振特性上能满足要求 2 杆件应力与竖向挠度分析 单独网架计算模型与整体计算模型在竖向荷载 作用下的变形形状保持一致 由于是单向网架 在开 口边和跨 中区域 网架竖向变形明显 最大变形发生 在跨中位置 网架整体变形现象体现出单向板的特 b 支座节点弹性连接示意 图 3 整体计算模型 图 4自振 频率对 比 点 符合板式网架理论假定 网架在竖向荷载下 的 竖向挠度和杆件应力 比率的变化见表 2 表2 竖向最大挠度值与杆件应力比率 从表 2中分析结果可 以看到 从竖 向变形方面 分析可知两种模型计算结果较为相近 变化不大 从 杆件应力比的数量分析可知 整体模型计算结果 比 单独模型计算有增大的趋势 对本工程来说 杆件强 度设计应以整体模型为计算模型 这从网架支座约 束方面可以分析出 由于变形协调的关系 下部混凝 土框架和网架相互满足变形协调 相比单独网架 整 体模型的整体刚度减弱 变形些许增大 导致部分杆 件应力增加 因此在网架杆件截面设计时 有必要 进行整体模型计算 对特定区域杆件进行截面设计 6 0 四川建筑科学研究 第 3 9卷 2 3 对 比分析结论 从对两种计算模型分别在自振特性和受力方面 分析 可以看出两种结构模型的自 振规律较为一致 基本振型几乎相 同 从 了解结构 的刚度分布规律的 角度 可以建立单独网架模型进行分析 建模较为方 便 从网架受荷方面分析 整体模 型分析结果 比单 独网架模型增大 网架局部杆件应力分布范围增大 但没有超出设计允许范围 对本工程来说 整体模 型的设计计算结果相比单独网架起到了很好的校核 分析的作用 尤其对网架跨中局部杆件的影响较为 明显 对杆件截面的调整起到了很好的校核作用 对 支座处 的杆件影响不大 用单独 网架模型计算设计 即可 由于网架跨度在 4 O 6 0 m之间 属于中等跨度 网架 又属于两边开 口的单向网架 结构变形 比较显 著 跨中杆件应力 比较大 因此 为更好地优化杆件 截面 对本屋盖工程来说 建立整体网架模型进行分 析是必要 的 网架在设计时首先用单独 网架模型进 行 优选杆件截面 后 以整体模型进行校 核分析设 计 3 支座节点有限元分析 该网架采用 焊接球节点 支座处焊接球直径较 大 采用加肋焊接球 WS R 4 5 0 壁厚 2 0 mm 支座焊 接球节点三维图见图 5 十字肋板 圆管与焊接球采 用剖口对焊连接 在网架支座杆件内力作用下 对焊 接球与支承十字肋板 钢管的应力进行分析 对支座 的设计至关重要 在设计节点时 底板的选取 以常用 的计算公式 M a A t 64 C6 M f t 算 来设计板的厚度 十字肋 板的设计一般是构造控制 并考虑屈 曲影响 根据肋 板的宽厚 比限值范 围 0 5 b h 1 0 b f o 4 2 8 3 5 设计肋板的厚度 J 设计出的肋板与底板 能满足受力要求 但对钢板 的应力分布则还是需要 有限元分析来实现 因此 建立支座节点有限元模 型 分析钢板应力分布 以便更好的设计支座 本文就以图2中 轴线与 轴线交点处支座节 点4为分析对象 有限元模型如图5所示 3 1 有限元模型 采用通用有限元软件 A N S Y S建立焊接球支座 节点模型 进行受力分析 采用薄壁单元 S H E L L 6 3 模拟钢管 焊接球 底板 十字肋板 节点处焊接球 直径 4 5 0 m m 壁厚 2 0 m m 加劲肋厚 2 0 mm 十字肋 板厚度4 0 m m 短钢管直径2 7 3 m m 壁厚 1 6 m m 底 图5 焊接球支座节点有限元模型 板 4 0 0 5 0 0 4 0 支座钢管直径分别为 th l 8 0 X 1 0 b 1 5 9 6 t h l 4 0 X 8 0 1 3 3 6 钢 板 材 质 均 为 Q 2 3 5 B 弹性模量 2 0 6 e 5 M P a 自 松比0 3 为简化分析过程 对节点作出以下假定 1 单元 S H E L L 6 3选用等 向强化 的 v o n Mi s s 屈 服准则 2 挠度沿板厚度方 向的变化可 以忽略 认为在 同一厚度内各点的挠度都等于中面的挠度 大挠度 小应变假定 忽略焊接残余应力对节点 的影响 焊缝 处通过加密网格的方法模拟 3 节点分析时假定各杆件截断处受约束 对支 座底板受竖向反力荷载作用进行分析 由于支座采用橡胶支座垫板形式 为简化分析 本文只进行在竖向荷载下的节点分析 根据选取的 此节点的反力荷载设计值为 1 6 6 0 k N 施 加在底板 上的面荷载为 8 3 0 k N m m 进行分析 分析内容主 要 以了解支座十字肋板 短钢管 焊接球 的弹性应力 分布情况 讨论此节点设计的可行性 3 2 等效应力分布 支座节点整体模型的等效应力云图见图 6 a 可见最大应力 2 0 3 0 N m m 位 于钢管与球壁的焊 接处 虽然数值较大 这是有限元单元应力局部集 中 现象所致 但没有超 出材料的强度 限值 仍是弹性受 力状态 焊接球的等效应力云图见图 6 b 可见整 个球壁上应力分布在与网架杆件连接处出现局部应 力集中 应力数值较大 最大值 2 0 3 0 N m m 其他 部位的应力数值较小 且分布为下半部应力数值较 大 半球与钢管应力云图见图 6 c 焊接球内圆板 加劲肋的应力分布非常均匀且数值较小 其对焊接 球上下两个半球的整