某体育场相贯节点有限元分析

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摘要：相贯节点作为一种重要的节点形式目前已经广泛应用于大跨空间结构中，本文利用ANSYS分析软件，对某体育场相贯节点进行有限元分析，模拟出该节点的实际工作状况，得到节点在设计荷裁作用下的应力大小及其分布规律。分析结果表明：本工程相贯节点在设计荷载作用下没有进入塑性状态，可以满足设计要求。

关键词：相贯节点；ANSYS；有限元分析；塑性状态

1前言

相贯节点外形美观、线条流畅、受力合理、能够适用较为复杂的杆系体系。随着经济的发展和焊接工艺水平的提高，相贯节点越来越多的用于大跨度空间结构之中。目前《钢结构设计规范》[1]对一些简单的相贯形式作出了规定，但是一些情况下相贯节点的应力状况十分复杂，规范无法完全含盖；一些学者通过实验的方法来分析相贯节点的承载力[2]~[4]，但是实验的方法要花费很多的时间和精力，因此通过有限元的方法对相贯节点进行受力分析成为重要的手段。

2.说明

2.1工程概况

某体育场项目，位于城区繁华地段，建筑物设防类别为重点设防类（乙类），抗震设肪烈度7度，设计地震分组为第三组，设计基本地震加速度值为0.10g，特征周期为0.45s，场地类别为Ⅱ类。基本风压为0.40kN／m，地面粗糙度为D类。基本雪压为0.20kN／m。

2.2荷载组合

本工程所取的各工况组合及编号如表1所示：

表1各工况组合的分项系数

2.3分析方法

通过SAP2000软件对整体结构在各个工况作用下进行有限元分析，其中地震作用分析采用阵型分解反应谱法。然后对表1中所有工况的效应组合取包络值，作为节点模型边界上施加的力和弯矩。然后采用有限元软件ANSYS对节点模型进行静力小变形弹塑性分析。

3有限元模型

3.1材料模型

本工程钢材为Q345，本次计算假定所研究的节点模型为理想弹塑性材料，屈服强度为310MPa，弹性模量为2.06×105MPa，泊松比取0.33。

3.2单元选取

根据工程特点，以及ANSYS单元的基本特征和适用范围，在实际分析中，节点模型采用SOLID45单元，该单元用于构造三维实体结构，单元通过8个节点来定义，每个节点有3个沿着x、y、z方向平移的自由度。

3.3模型端部处理

建模时，需要模拟各节点杆件端头的刚化，模拟时确定端部截面中心点，用MPC184单元连接中心点和截面上所有节点（图1），以此来保证杆件端部始终为平截面。施加荷载时，加在端部截面中心点上。

图1 端部MPC184单元连接模型

3.4边界条件

设计载荷作用下的节点边界条件的定义与整体有限元模型的边界条件基本保持一致，每个节点取主钢管上的一个端部截面作为约束端，约束端采用x、y、z方向固定约束截面上全部节点。

4分析结果

1号节点

1号节点模型及截面编号见图2；截面1为约束端，自由端截面施加的荷载以及截面1的支座反力见表2；节点等效应力分布云图见图3。

表21号节点杆件截面荷载与支座反力

图2 1号节点计算模型图3 1号节点等效应力分布云图

由节点的分析计算结果可以看出，节点交点处有少量应力集中，但范围非常小，整个节点的应力基本都在70Mpa之下。

2号节点

2号节点模型及截面编号见图4；截面1为约束端，自由端截面施加的荷载以及截面1的支座反力见表3；节点等效应力分布云图见图5。

表32号节点杆件截面荷载与支座反力

图4 2号节点计算模型图5 2号节点等效应力分布云图

由节点的分析计算结果可以看出，节点交点处有少量应力集中，但范围非常小，整个节点的应力基本都在90Mpa之下。

3号节点

3号节点模型及截面编号见图6；截面1为约束端，自由端截面施加的荷载以及截面1的支座反力见表4；节点等效应力分布云图见图7。

表43号节点杆件截面荷载与支座反力

图6 3号节点计算模型图7 3号节点等效应力分布云图

由节点的分析计算结果可以看出，节点交点处有少量应力集中，但范围非常小，整个节点的应力基本都在160Mpa之下。

4号节点

4号节点模型及截面编号见图8；截面1为约束端，自由端截面施加的荷载以及截面1的支座反力见表5；节点等效应力分布云图见图9。

表54号节点杆件截面荷载与支座反力

图8 4号节点计算模型图9 4号节点等效应力分布云图

由节点的分析计算结果可以看出，节点交点处有少量应力集中，但范围非常小，整个节点的应力基本都在200Mpa之下，只有少量应力集中地方应力达到275Mpa。

5号节点

5号节点模型及截面编号见图10；截面1为约束端，自由端截面施加的荷载以及截面1的支座反力见表6；节点等效应力分布云图见图11。

表65号节点杆件截面荷载与支座反力

图10 5号节点计算模型图11 5号节点等效应力分布云图

由节点的分析计算结果可以看出，节点杆件连接处有一点应力集中，范围比较小，整个节点的应力基本都在170Mpa之下。

5结论

(1)有限元分析结果表明，以上相贯节点在设计荷载作用下处于弹性工作阶段，荷载设计值可以满足钢材的承载力要求。

(2)以上相贯节点存在应力集中，主要存在于相贯的焊接处，但范围普遍比较小，满足焊缝强度设计值。

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