分叉柱底铸钢支座节点受力分析

黄进华;李生辉

【摘 要】铸钢节点作为一种新型的节点形式,因其较强的适应能力被应用于大跨度空间结构中.本文通过非线性有限元分析,对分叉柱底铸钢支座节点进行研究,分析其在轴力作用下的应力分布情况、变形分布情况以及荷载位移曲线,在此基础上得出一些有用的结论.%As one of the new joint types, the cast-steel joint which has a strong adaptability has been widely used in many large span-space structures. In this paper, by the aid of finite element analysis software, authors research the cast-steel support joint at bottom of bifurcated column to analyse its stress distribution, deformation distribution of axial force and load displacement curve. By then, some useful conclusions are suggested.

【期刊名称】《低温建筑技术》 【年(卷),期】2012(034)008 【总页数】3页(P65-67)

【关键词】铸钢支座节点;有限元分析;应力分布;变形分布;荷载位移曲线 【作 者】黄进华;李生辉

【作者单位】西安建筑科技大学土木工程学院,西安710055;西安建筑科技大学土木工程学院,西安710055 【正文语种】中 文

【中图分类】TU391

随着科技的进步和经济的发展，空间结构，作为一种新颖的结构形式，广泛应用于高层、大跨度结构中。因2008年北京奥运会及2010年上海世博会，许多城市建设了现代化的体育馆、博物馆、展览馆等大跨度结构。空间结构主要采用钢结构，钢结构节点构造影响其传力性能、制作安装以及工程造价，因此在大跨度结构中，受力大、构造复杂的节点如何选择合理的节点形式已成为空间结构发展的重要课题。近几年，铸钢材料因其良好的机械加工性能，得到了提倡和推广。在空间结构中，铸钢连接件被应用于受力大、构造复杂的节点(尤其是异形节点)中，取得了良好的经济和技术效益。但是，我国大型铸钢节点在工业与民用建筑中的应用起步较晚，与之相关的资料和经验相对较少，导致铸钢节点的设计、生产、以及推广都存在着一些问题。

本文通过非线性有限元分析，对分叉柱底铸钢支座节点进行研究，分析其在轴力作用下的应力分布情况和变形分布情况以及荷载位移曲线，在此基础上得出一些有用的结论。

1 分叉柱底铸钢支座节点有限元分析 1.1 节点形式和几何尺寸

本文对某一种铸钢支座节点的受力性能进行研究。该铸钢支座节点的几何形状比较特殊，有多个支管相交，且外部有较多的凹口和突起，内部截面形状变化比较大，如图1、图2所示。

1.2 有限元分析 1.2.1 铸钢件材质

铸钢材料主要选用铸造低合金钢，其主要由Mn、Si、Cr等合金元素构成，它们改

善了铸钢的韧性、塑性以及可焊性，并且提高了材料的强度。我国建筑用铸钢材质的选取‘主要参照德国DIN 7182标准。 1.2.2 计算模型

铸钢支座节点建模采用实体单元Solid 92(每个节点有3个自由度)，考虑几何非线性和材料非线性，采用自由网格划分，在节点转角处加强网格的密度，单元数为20000～40000个，有限元模型如图4所示。通过ANSYS软件，进行弹塑性分析，铸钢支座剖面图如图3所示，几何参数θ=60°，a=0.45m，b=0.5m，h=0.1m，d=0.4m，t=0.04m，r=0.05m。 1.2.3 材料本构关系

铸钢材料弹性模量E=2.02×105 MPa，屈服强度f y=300MPa，泊松比v=0.3。假设材料采用理想弹塑性，屈服准则为VonMises屈服准则，计算时取屈服强度值为300MPa，理想弹塑性应力应变曲线见图5。 1.2.4 约束及荷载

铸钢支座的底板下部是双向滑动球铰支座，它的三个方向均没有线位移，所以将铸钢支座底板底面三个方向的线位移全部约束，反映其真实的边界条件。分析两种受力状况，工况一:各管口均受压;工况二:各管口均受拉。在有限元分析时，主要考察了铸钢支座的塑性发展区、应力和变形分布情况以及荷载的位移曲线。 2 计算结果

2.1 两种工况下的应力分布

两种工况下的应力大小及分布情况如图6、图7所示，图中红色区域表明已经进入塑性状态。

通过以上分析，由铸钢支座节点在极限荷载下的应力分布图看出，工况一(各管口均受压)下，各管口上的应力较大，进入了材料塑性阶段;在工况二(各管口均受拉)下，各管以及各管相交位置上的应力较大，进入了材料塑性阶段。 2.2 两种工况下的变形分布

两种工况下的变形分布情况如图8、图9所示，最大位移发生在图中红色区域。 铸钢支座在工况一(各管口均受压)下的节点最大变形为18.117mm，发生在下管口位置;在工况二(各管口均受拉)下的节点最大变形为64.608mm，发生在倒角中部位置。

2.3 两种工况下的荷载位移曲线

两种工况下变形最大处的荷载—位移曲线(X方向)如图10、图11所示。 铸钢支座节点在工况一(各管口均受压)下的极限承载力为5689.7kN;在工况二(各管口均受拉)下的极限承载力为6357.5kN。 3 结语

本文在ANSYS11.0软件的建模和求解下，观察铸钢支座节点的塑性发展区域，得到其在极限荷载下的应力分布、变形分布情况以及X方向的荷载位移曲线。从分析结果可以看出:①铸钢支座节点与钢管直接相连，受力较大，受压下最大变形发生在管口位置，受拉下最大变形在中部倒角处;②铸钢管与底盘相交位置，管与管相交地方出现了明显的塑性发展区域，所以节点过渡时采用倒角处理，以减小应力峰值;③节点应力最大时，达到屈服强度，但并不意味着立即破坏，随着荷载的增加，节点塑性区应力重新分布，直到出现显著局部变形，节点才最终破坏。 参考文献

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