摘要：網(wǎng)架、網(wǎng)殼及空間桁架等大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)在工程實(shí)際中有廣泛的應(yīng)用，由于大跨度空間結(jié)構(gòu)桿系數(shù)量龐大，且一些重要的連接節(jié)點(diǎn)受力復(fù)雜，故手動(dòng)計(jì)算這些空間結(jié)構(gòu)困難較大，且結(jié)果難以保證，故一般采用軟件有限元的方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。本文以天水體育場(chǎng)實(shí)際工程為背景，分析了不同焊接球節(jié)點(diǎn)支座的受力情況，得到了支座的應(yīng)力分布規(guī)律，提出了優(yōu)化建議，為后續(xù)工程設(shè)計(jì)提供參考。

　　關(guān)鍵詞：大跨度空間結(jié)構(gòu);有限元分析;焊接球節(jié)點(diǎn)

　　1.概述

　　1.1鋼結(jié)構(gòu)在大跨度空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)

　　鋼結(jié)構(gòu)具有材料強(qiáng)度高，塑性、韌性好，材質(zhì)均勻、工作可靠性高，且鋼結(jié)構(gòu)制作簡便、施工周期短、良好的裝配性又是綠色建筑，具備可持續(xù)發(fā)展的特性，故在在大跨度空間結(jié)構(gòu)中有廣泛的應(yīng)用。例如上海師范學(xué)院球類房(我國第一座平板網(wǎng)架)，天津科學(xué)宮(焊接空心球節(jié)點(diǎn)斜放四角錐網(wǎng)架)，首都機(jī)場(chǎng)機(jī)庫(三層斜放四角錐平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu))，北京工人體育館(柔性空間懸索結(jié)構(gòu))，深圳華僑城歡樂谷中心表演場(chǎng)(張拉膜結(jié)構(gòu))等[1]。

　　空間結(jié)構(gòu)論文投稿刊物：空間結(jié)構(gòu)主要刊登空間結(jié)構(gòu)、鋼和鋼筋砼網(wǎng)架、網(wǎng)殼、組合雜結(jié)構(gòu)及不同材料的組合空間結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)、索桁結(jié)構(gòu)等方面的理論及分析、設(shè)計(jì)計(jì)算、建筑造型與藝術(shù)、試驗(yàn)與檢測(cè)、施工安裝工藝、新技術(shù)、連接構(gòu)造、工程實(shí)例、企業(yè)管理經(jīng)驗(yàn)、博、碩士生的優(yōu)秀論文、國內(nèi)外空間結(jié)構(gòu)和聞新報(bào)導(dǎo)。

　　空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)由于桿件數(shù)量龐大，節(jié)點(diǎn)形式多樣，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，采用手算幾乎無法實(shí)現(xiàn)，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的類型、平面形狀、荷載形式及不同設(shè)計(jì)階段等條件，可采用有限元法或基于連續(xù)化假定的方法進(jìn)行計(jì)算，這為采用計(jì)算機(jī)程序化計(jì)算提供了便捷，按有限元法進(jìn)行空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算可采用下列基本方程[2]：KU=F，式中：K—空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)總彈性剛度矩陣;

　　U—空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移向量;

　　F—空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)荷載向量。

　　1.2大型通用有限元軟件ANSYS

　　ANSYS協(xié)同仿真環(huán)境技術(shù)以優(yōu)化設(shè)計(jì)流程為目標(biāo)，以客戶化應(yīng)用為手段，通過捕捉專家經(jīng)驗(yàn)、規(guī)范設(shè)計(jì)流程、高可靠性的CAD/CAE互操作技術(shù)、高效率的優(yōu)化技術(shù)、web技術(shù)等大幅縮短研發(fā)過程。構(gòu)成協(xié)同仿真環(huán)境的CAE產(chǎn)品包括：結(jié)構(gòu)分析體系、電磁場(chǎng)分析體系、流體力學(xué)分析體系、行業(yè)化定制模塊、仿真模型建造系統(tǒng)、設(shè)計(jì)人員快捷分析工具箱、多目標(biāo)快速優(yōu)化工具、客戶開發(fā)平臺(tái)等。

　　其中結(jié)構(gòu)分析體系包含強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)分析模塊、沖擊爆破模擬模塊、高級(jí)疲勞分析模擬模塊、機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析模擬模塊。

　　對(duì)于重要的受力節(jié)點(diǎn)，例如多桿件交匯節(jié)點(diǎn)、支座節(jié)點(diǎn)等，由于其受力復(fù)雜，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)安全有重要影響，故需進(jìn)行局部節(jié)點(diǎn)的仔細(xì)分析以確保結(jié)構(gòu)安全性。本文以天水體育場(chǎng)實(shí)際工程為背景，采用有限元分析軟件ANSYS，模擬了網(wǎng)架幾種典型支座節(jié)點(diǎn)的受力情況，初步得到支座節(jié)點(diǎn)應(yīng)力的分布規(guī)律，并對(duì)后續(xù)優(yōu)化提出一些建議。

　　2.有限元分析過程

　　按照支座模型的不同，共模擬了以下三種典型模型對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分布：

　　2.1模型一(鋼柱頂桁架支座，共計(jì)68處)

　　底板尺寸為0.6mx0.6m，底板厚50mm，沿底板四周布置4個(gè)加勁肋，加勁板厚均為50mm。球體外徑為800mm，壁厚50mm，內(nèi)設(shè)50mm厚加勁板，球下方圓柱體外徑為246mm，壁厚為8mm，支座球外側(cè)連接有三個(gè)網(wǎng)架弦桿件。

　　最大應(yīng)力出現(xiàn)在背離斜撐一側(cè)的加勁肋處，該加勁肋與底板相交部位應(yīng)力較大，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，該處應(yīng)力值為212~240MP之間，整個(gè)球體本身應(yīng)力沒有超過80MP，故該處球體本身尚有優(yōu)化空間，整個(gè)支座最大應(yīng)力約為240MP，對(duì)于Q345鋼材，當(dāng)板厚為50mm時(shí)的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為265MP，故滿足承載力要求。

　　3.1模型二(斜撐頂桁架支座，44至80軸，共計(jì)33處)

　　模型二的幾何尺寸與模型一類似，不同的是在底板處布置了6個(gè)加勁肋，其他幾何參數(shù)參考模型一，得到的ANSYS幾何模型、有限元模型及計(jì)算應(yīng)力分布。

　　與模型一相比，該支座模型由原來的4塊加勁板增加至6塊后整個(gè)球體、底板及底板四周加勁肋均沒有出現(xiàn)應(yīng)力較大區(qū)域或者應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力分布與模型一比較更加均勻，受力性能得到改善，但加勁板及支座底板整個(gè)支座的應(yīng)力較小，一般不會(huì)超過100MP，故該處加勁板有優(yōu)化空間。與模型一類似，處于桁架斜桿對(duì)側(cè)的加勁板應(yīng)力較大。整個(gè)焊接球支座最大應(yīng)力為360MP，該應(yīng)力值出現(xiàn)在極個(gè)別的網(wǎng)格中，可以忽略，整個(gè)支座的應(yīng)力值均在設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)，故符合要求。

　　3.1模型三(斜撐頂桁架支座，1至35軸，共計(jì)33處)

　　模型三的幾何尺寸與二類似，不同的是與模型一、二相比底板變?yōu)?00×900，底板處布置了6個(gè)加勁肋，其他幾何參數(shù)參考模型二，得到的ANSYS幾何模型及有限元模型及計(jì)算應(yīng)力分布。

　　模型三的應(yīng)力分布情況和模型二類似，最大應(yīng)力出現(xiàn)在球內(nèi)部加勁肋處，而與網(wǎng)架桿件相對(duì)一側(cè)的兩個(gè)加勁肋與底板連接處應(yīng)力較大，其值在160~200MP之間，均在設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)。整個(gè)球、底板及底板四周加勁肋均沒有出現(xiàn)應(yīng)力較大區(qū)域或者應(yīng)力集中現(xiàn)象，整個(gè)支座的應(yīng)力也在設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)，故符合要求。

　　4.結(jié)論

　　通過以上不同類型焊接球支座的有限元分析可得到以下結(jié)論：

　　1)支座加勁板最大應(yīng)力出現(xiàn)在背離桁架斜桿一側(cè)，靠近桁架斜桿一側(cè)的加勁板應(yīng)力較小，尚有優(yōu)化空間;

　　2)支座底加勁板較少時(shí)，背離桁架斜桿一側(cè)的加勁板與支座底板端部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)增加加勁板后，加勁肋均沒有出現(xiàn)應(yīng)力較大區(qū)域或者應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力分布更加均勻，受力性能得到改善，但此時(shí)加勁板應(yīng)力較小，尚有優(yōu)化空間;

　　3)幾個(gè)典型焊接球節(jié)點(diǎn)球體本身的應(yīng)力并不是很大，尚有優(yōu)化空間。

　　5展望

　　1)本文在做有限元計(jì)算時(shí)桁架桿件、球支座、加勁板及支座底板的連接都統(tǒng)一按”體元”考慮，而實(shí)際是以焊縫連接，在受力后焊縫處的應(yīng)力與母材必然有所差別，有必要在分析時(shí)以實(shí)際情況建立含有與焊縫相關(guān)的有限元進(jìn)行分析，這樣得到的結(jié)果更加貼近實(shí)際。

　　2)本文在設(shè)置支座底部邊界約束條件時(shí)，統(tǒng)一按照“剛接”考慮，而實(shí)際支座在桁架桿件作用下底部與混凝土基礎(chǔ)之間會(huì)有位移，這種位移會(huì)對(duì)整個(gè)支座的應(yīng)力分布產(chǎn)生影響，故有必要在分析時(shí)考慮支座底板與混凝土基礎(chǔ)之間的“接觸”這樣得到的結(jié)構(gòu)將更加可靠。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]趙風(fēng)華.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].北京：高等教育出版社，2005(:2-7).

　　[2]JGJ7-2010.空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

　　作者：喬響平