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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。
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