钢结构施工中局部承载点的设计与分析方法

2008年中国钢结构协会学术年会报告 钢结构施工中局部承载点的设计与分析方法 钢结构施工中局部承载点的设计与分析方法 承载点概述 在钢结构施工的各个环节 经常会遇到局部受较大集中荷载作用的施工节点 这里称为承载点 如钢结构单元的吊装 提升和滑移锚点等 承载点 可以看作是节点概念的延伸 节点可以看作承载点的一种 一般情况下 这种承载点与其他构件连接成一个整体 从受力上讲 很难明确地将承载点独立地从结构上取出来 其边界条件与荷载条件难以明确表示 也就难以给定承载点的计算模型 受力条件和边界条件 造成了力学分析较难 钢结构施工中局部承载点的设计与分析方法 承载点概述 龙门吊提升用的主吊耳 国家体育场卸载点 烟台2万吨桥吊高空滑移 国家体育场C1柱桁架柱吊点 国家体育场C21柱桁架柱吊点 钢结构施工中局部承载点的设计与分析方法 承载点计算模型 由于支撑点是整个体系中不可分割的部分 如果取整个体系进行分析 会导致计算的规模太大 甚至超出计算机的运算能力 所以一般应该取体系中的一部分进行分析 计算模型应该充分考虑承载点的受力特点 尽可能采用清晰的边界 如果无法确定清晰的边界 可以取远离承载点的位置作为边界 边界到承载点中心距离宜不低于承载点在该方向最大尺寸的3倍 建模方法 1 直接采用ANSYS建模 2 采用AutoCAD等建模软件建模再导入到计算软件如ANSYS中由于大部分工程人员熟悉AutoCAD 这部分建模工作不必由计算人员完成 所以采用AutoCAD建模的优势在于减轻计算人员的工作量 采用AutoCAD建模时 实体单元用Solid物体 面单元采用Region物体 再输出 Export 为 sat文件 导入到ANSYS中 钢结构施工中局部承载点的设计与分析方法 承载点计算模型 建模时尽量将各物体分开 在ANSYS中采用胶合 glue 的方式将各部分连接成整体 对于光滑的接触表面 接触的部分采用一致的网格形式 通过自由度耦合来模拟接触状态 避免采用接触单元 以减少非线性造成的计算耗时 对于存在间隙可能接触的表面 或者无间隙但需要考虑摩擦时 就应该采用接触分析 如滑动支承点等 接触问题属于高度非线性问题 计算时间较长 参数设置非常复杂 要特别注意的是接触类型设置 另外接触单元一定要在划分网格之后生成 钢结构节点通常通过高强度螺栓或焊缝连接 采用有限元分析时对高强度螺栓与焊缝的直接模拟较为复杂 如果不是特别必要 一般不直接建模 作刚性连接处理 高强度螺栓模拟时 由于钢板之间存在非常大的摩擦力 可以不考虑螺栓杆与孔壁之间的间隙 螺栓杆施加预应力 螺栓杆与孔壁之间 螺帽与钢板之间 钢板之间采用接触单元模拟 需要考虑摩擦系数 对接焊缝直接当作钢结构的一部分 而角焊缝模拟时 可以分别对角焊缝与两连接物体进行粘合 glue 而物体之间采用接触单元模拟 钢结构施工中局部承载点的设计与分析方法 承载点计算模型 由于一般承载点几何构造不连续 导致部分位置应力集中严重 即使在外荷载不大时 某些几何变化显著的位置也可能超过屈服强度 由于结构用钢材料具有较好的塑性 应力应变关系接近双线性 所以通常采用图1所示的双线性模型 根据结构用钢强屈比和延伸量的一般情况 取切线模量为弹性模量E的1 100 由于是支承点有限元分析主是是进行承载能力验算 因此屈服强度一般取材料的设计强度f 图1双线性材料本构关系为了降低计算模型的规模 应该考虑 1 充分利用模型及荷载约束条件的对称性 2 忽略一些次要的部件 如对受力影响较小的稳定小加劲板 3 对于几何连续性较好的区域 采用较粗的网格尺寸 4 对于板件 尽可能采用壳单元来代替实体单元 5 尽量减小不必要的非线性因素 如采用粘接来代替接触 钢结构施工中局部承载点的设计与分析方法 承载点计算方法 通常情况下 承载点受力情况存在一些不确定的因素 因此需要采用多模型多荷载组合进行分析 同时对于荷载较大材料可能进入非线性状态的情况 应该采用分步加载 分步加载既可以是等比例加载 也可以是非等比例加载 非等比例加载多用于受力情况比例复杂 也就是外荷载是由多种简单荷载元素构成 这里定义简单荷载包括单个的点 线 面 体荷载 多模型 多荷载组合及分步加载的结果对于承载点补强措施 安全方案 应急预案的制定都有非常重要的作用 对于构造复杂的承载点 一般应该允许材料部分进入塑性 1 承载点多属于临时结构 一般不重用 2 由于局部几何连续性差 会导致应力集中 可以通过构造上保证塑性区域不发生破坏 但同时必须满足设计规范规定的要求 3 由于有限元分析将无限自由度的连续体等效成有限自由度的离散体 这个过程本身存在强制的约束 导致计算结果偏高 特别是应力峰值偏高的情况 出现塑性结果的情况毕竟会影响设计者的信心 因此对塑性极限应该进行量化 根据多年来对上百个不同类型的节点分析与实施的经验 这里提出两种要求 1 塑性应力区域较小 一般该区域不应该大于主要受力板件平面最小尺寸的1 10 2 对于钢材 要求强屈比不超过1 2 也就是应力峰值不超出屈服强度的1 2倍 鉴于上述两点 这里不建议使用理想弹塑性模型