偏心受力节点的柱顶节点有限元分析

偏心受力节点的柱顶节点有限元分析

上海浦东国际机场二期工程总面积约40万米，机场走廊全长1400米，全长66.36米，两端各90.36米。主要包括第二条道路和第二个车站的建设。其中，该站是一个大型空间钢架，主要分为入口和出口。各层的y形立柱布置在结构平面上。y形柱的10根连接到截面，梁与柱倾斜连接，柱底与混凝土相连，为固定支架。y型柱模型如图2所示。在对航站楼进行整体结构有限元分析时,除了解屋盖结构的受力性能和承载性能外,特别需要分析研究Y型钢柱的受力性能和承载能力.由于屋面结构梁和Y型柱构造上的原因,梁柱连接点的位置不在梁的轴线上,因此在航站楼的整体模型中,Y型柱与梁的连接模拟直接影响到梁和柱的内力计算结果.在屋盖结构的数值分析中,Y型钢柱在柱顶通过简化的刚臂模型与钢屋架的次梁及主梁连接,保证了整体体系中连接传力的可靠性.许多学者的研究结果表明,这种模拟方法就结构整体而言,对内力分布影响不大,但对于连于该节点的梁和柱来说,内力计算结果就不准确,且可能不安全.所以,有必要建立Y型钢柱和主次梁连接的实体模型,分析Y型钢柱柱顶节点处的内力.另一方面,由于次梁偏心连于主梁上,这种偏心对于梁柱内力的影响也不能忽略.根据设计要求,本文建立了4种Y型钢柱与梁连接节点的计算模型,将不同模型分析结果进行比较,得出节点的内力以及随着次梁尺寸变化的节点内力变化,为节点设计提供计算依据.1有限元模型建立Y型钢柱柱顶截面为箱形截面,形状如图3,板厚40mm,材料为Q235.主次梁均为变截面箱形梁,主梁截面为□1922×484×14×14,次梁截面为□1186×380×14×14.结构设计时,由于屋面结构梁和Y型柱构造上的原因,梁柱连接节点不在主梁和次梁相交位置的轴线上(如图4(c)所示),主次梁与柱连接产生偏心.为了研究连接偏心对梁柱传力性能及节点受力性能的影响,本文建立了4种有限元模型进行分别计算.不同模型的具体形式分述如下.1.1同的短钢梁连接原航站楼整体计算模型中采用的短钢梁模型,如图5(a)所示,即采用与Y型钢柱柱顶段截面相同的短钢梁连接Y型钢柱和主梁,代替梁柱实际连接中的偏心距.短钢梁和屋面主梁刚接,和Y型钢柱柱顶铰接,以模拟实际该处的铰节点连接方式.采用短钢梁连接方法模拟梁柱偏心连接简单,同时可以将主次梁承受的荷载以及变形传到Y型钢柱的柱顶,但是,用短钢梁的变形代替节点的变形是不准确的.1.2刚性连接理论模拟梁柱偏心连接的刚臂模型采用一刚性无穷大的短臂将Y型钢柱和主梁连接,连接方式如图5(b)所示,释放刚臂与柱连接处的三向旋转刚度以模拟铰节点.刚性连接是ANSYS提供的一种虚拟连接,等价于在连接的两端建立一组约束方程,在释放三向旋转刚度时,约束方程会约束连接的两端距离保持不变.由于刚臂本身刚度无穷大,等于不考虑连接的变形.1.3梁-板-墙-柱-板有限元耦合如图5(c)所示,将Y型钢柱柱顶的局部主梁采用板壳元建模,而梁的其它部分仍采用线单元模型.板壳单元和线状梁单元的交界面采用耦合方式连接,耦合6个自由度.本模型中,主梁和Y型钢柱的柱顶采用铰接于一点的弹性钢梁连接,从而梁柱连接的偏心节点直接反映在梁段板壳元的受力与变形中,如图4(b)所示.1.4局部板壳元模型为了得到次梁截面尺寸改变带来的节点内力变化以考察梁柱内力的变化,考察次梁偏心对节点受力的影响,本模型增加次梁的尺寸,使之与主梁同高,建立主次梁局部板壳元的实体计算模型如图5(d).2屋顶配重分布根据设计要求,在考察梁、柱节点模型影响时,仅考虑结构上的恒荷载、活荷载,相应的荷载组合为1.35恒载+1.4活载,荷载的具体数值如表1所列.限于篇幅,对屋面配重的分布不作详细说明.3局部坐标系转换本文采用ANSYS软件进行数值计算,得到4种模型的节点处内力.表2为采用板壳元建模的Y型钢柱的柱顶节点在整体坐标系下的内力,表3为结构中同根构件对应不同节点计算模型时的内力,构件具体位置如图6所示.表3的结果表明,不同的梁柱连接简化模型,在该节点区域外,杆件的内力变化很小(截面增大后的模型中,杆件内力有所减小).也就是说这种局部模拟差异,对结构整体内力分布影响很小,但对于相连的柱与梁,内力差异不能忽略.为了分析的直观,将内力数值按照图7所示局部坐标系转换,局部坐标系X方向和Y方向分别为沿柱顶横截面两主轴方向,Z方向为柱分支轴线方向.经过坐标转换后,在局部坐标系下不同模型计算结果列于表4中.由表4可得,增加次梁高度后,Y型柱柱顶节点在各个方向的内力分量均有下降.增加次梁截面后,内力下降的百分比如表5所示.在局部坐标系下,图8以柱形图的方式表现了以上4个模型的比较结果,图中:1为短钢梁模型;2为刚臂模型;3为实体模型(次梁截面高度未改);4为实体模型(次梁截面加高).由图8可见,模型1和模型2的计算结果较接近,与模型3计算得到的剪力数值相差较大.可见用短钢梁或刚臂模拟梁柱连接不准确,尽管合力数值与实体模型计算所得相近,但这两种连接方式采用杆型构件代替节点,带来剪力传递的误差是存在的,具体表现为X向的剪力偏大,而Y向剪力偏小.由于计算时采用设计荷载,远小于结构实际的承载力,连接处的内力与变形并未达到极限承载状态时的最大值,所以模型1和模型2的计算结果接近.从表4和图8可看出,4种模型的合力很接近,这表明,不同模型的计算结果对节点的内力分量有较大的影响,但对结构整体内力分布影响都很小.模型3中,次梁未改变尺寸计算得到Mises应力云图如图9所示;模型4中,改变尺寸后计算得到Mises应力云图如图10.由图9、图10的比较可知,次梁截面增加之前,节点处主次梁模型Mises应力最大值为219.71N/mm2,且主次梁连接处应力集中现象较严重;次梁截面增加后,主次梁模型中的Mises应力最大值为203.01N/mm2,且应力集中现象减弱.因此,适当增加次梁高度有利于减少柱的剪力.4模型计算结果(1)梁柱连接节点的模拟方法,对结构整体内力分布影响不大,但对连于节点梁柱内力的影响不能忽略;(2)原短钢梁模型计算得到的柱顶剪力和实体模型结果相差较大;(3)刚臂与短钢梁模型计算结果相近,说明连接梁柱采用附加短臂的刚度与短钢梁相比较对于柱顶剪力几乎没有影响;(4)对于实体模