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铸钢节点有限元分析和实例探讨

一、前言

铸钢节点作为一种新兴的节点形式，具有结构多样化、外形美观、良好的加

工性能以及良好的适应性，已广泛应用于大跨度空间钢结构，大型钢结构建筑、

桥梁等工程中。在国外，特别是在德国、日本等发达国家，铸钢件节点已得到非

常广泛的应用，国内近年来在一些大型钢结构建筑、桥梁等工程中逐渐得到推广

应用。如国家体育馆钢屋盖工程、郑州国际会展中心、广州歌剧院钢结构工程、

安徽体育中心主体育场、无锡科技交流中心等工程中关键部位均采用铸钢节点。

由于铸钢节点受力和造型相当复杂，因此，分析模型的正确建立以及对分析

模型边界条件的真实模拟是节点受力分析的难点和关键点。需要根据实际情况建

立节点的实体三维模型，并根据一定理论依据对模型的边界条件做相应的简化假

定，以求在简便计算的同时最大限度的模拟实际中复杂的边界条件，从而完成对

铸钢节点的受力分析。

本文结合某主题馆钢结构工程中的铸钢节点设计实例，对大型铸钢节点的设

计基本原则及受力进行了初步研究与分析。通过ANSYS研究铸钢节点在设计荷

载作用下应力的发展、变化过程及节点变形，对其承载安全性作出判断，在此基

础上得到一些有益的结论。

二、铸钢节点选取

1、节点选取

本文所研究的节点位于张弦桁架下弦杆、腹杆及拉索的交汇点，下弦杆与五

根支管相连。该节点是由多根钢管以不同的空间角度汇聚于一点，构造形式比较

复杂，因此节点受力复杂，加工制作难度极大。鉴于该节点受力的特殊性和重要

性，有必要对其在设计荷载作用下工作状态进行分析。根据设计方案该节点为铸

钢节点，材料为ZG310-570铸钢，质量执行《一般工程用铸造碳钢》（GB11352）

标准中的有關规定，详见下表1：

2、基本假定

由于铸钢节点所用钢材具有良好的线弹性性能，结合《钢结构设计规范》

（GB50017—2003）的规定，本文采用以下分析假定[1]：

（1）只考虑节点在弹性状态下的单独受力状态；

（2）不考虑几何非线性；

（3）在节点与拉索连接处，采用传力杆，以传力杆传递拉索拉力.拉索的拉

力以面力形式施加于传力杆端面，受力模型见下图1中7号杆.

三、铸钢节点有限元分析

1、计算模型

对于比较复杂的模型在ANSYS中建模非常困难，可以采用Pro/E、

SolidWorks、UG、AUTOCAD等CAD制图软件进行实体建模，利用它们和ANSYS

之间的数据接口导入ANSYS中。本模型就是采用在AUTOCAD绘制而成，在

将实体模型保存为SAT格式的文件导入ANSYS中。建立的CAD三维实体模型

如下图2所示：

在有限元模拟时取节点最不利设计荷载组合工况为：1.2自重+1.4升温（30oC）

+0.6X1.4活+0.6X1.4风，进行计算转换到铸钢节点各管上的面荷载如下表2所示：

2、单元选取

本文对节点进行有限元分析，采用的是ANSYS程序单元库中的三维实体单

元SOLID92。SOLID92单元为10节点四面体单元[2]，每个节点有UX，UY，

UZ三个自由度，单元节点位移模式为二阶，更适于对不规则实体模型的分析，

同时该单元还支持大变形、大应变以及应力刚化分析。采用自由网格划分，对节

点转角处适当加强网格密度，通过有限元程序的误差信息（能量百分比误差、单

元应力误差、单元能量误差、应力上下限）确定网格划分是否满足要求。

3、网格划分

将CAD模型导入ANSYS中进行网格划分，由于钢结构节点一般都为不规

则体，所以节点采用ANSYS单元划分器中的自由网格划分技术，自由网格划分

技术会根据计算模型的实际外形情况自动地决定网格划分的疏密，该节点一共划

分为30789个单元，节点数为61574个。模型单元划分如下图3所示：

4、约束加载

为反应节点的真实边界条件，计算时对下弦杆（管6）一端的各向自由度进

行约束，另外一端只约束Y，Z方向的自由度，与下弦杆连接的其它几个支管分

别加上轴向拉力或压力（转换成面荷载进行加载）。索力通过反力转换作用在7

号支管上，加载时仅考虑了铸钢节点连接杆件端所受的轴向力作用，忽略了连接

端截面的弯距与剪力作用。上图4为模型加载与约束图，各支管所加轴向荷载大

小见表2。