加强环板式节点有限元分析

加强环板式节点有限元分析
加强环板式节点有限元分析
摘要：本文采用有限元软件ANSYS对加强环板式节点进行仿真分析，通过对节点在各个荷载工况作用下的分析，获得型钢骨架、上下环板和混凝土压应力水平，从而对节点安全性进行评价，并验证设计的合理性。

关键词：有限元加强环板式节点仿真分析型钢骨架
中图分类号：TP文献标识码： A 文章编号：
本次仿真分析以某车站大型空间框架结构为背景，采用有限元软件MIDAS CIVIL建立空间板梁模型，进行整体分析，进而选取典型节点，采用板单元和实体单元建立有限元模型，进行局部分析。

选取节点纵、横梁采用型钢混凝土结构，立柱采用钢管混凝土结构。

纵、横梁在立柱节点处梁高3.0m，中部梁高2.5m，采用C60混凝土；立柱节点处直径2.0m，采用C50混凝土。

图1-1 MIDAS空间板梁结构整体模型
1.1有限元仿真
节点细部计算采用大型有限元分析软件ANSYS进行局部分析。

建模时混凝土采用SOLID65单元模拟，钢筋采用LINK8单元模拟，纵横梁钢骨架和立柱钢管采用SHELL181单元模拟。

纵、横梁混凝土采用C60，立柱混凝土采用C50，普通钢筋采用HRB335，纵、横梁和立柱型钢骨架采用Q345，混凝土材料采用多线性等向强化模型MISO，钢材采用双线性等向强化模型BISO。

型钢骨架部分，纵横梁上下翼缘板厚50mm，纵横梁腹板板厚40mm，立柱钢管壁厚50mm，上下加强环板厚50mm，钢管内部环向加劲肋厚40mm，节点纵向加劲肋板厚30mm。

建立有限元模型如图1-2所示。

图1-2(a)节点有限元模型图1-2(b)刚性骨架有限元模型
图1-2(c)节点钢筋有限元模型图1-2(d)节点内部结构细部图
钢筋混凝土有限元模型采用分离式结构，不考虑钢筋和混凝土之间的相对滑移，通过共有相同节点来实现相互之间的连接；纵、横梁型钢骨架上下翼缘设置剪力钉，来实现型钢骨架和混凝土之间力的传递，模型中通过型钢骨架和混凝土共用节点来模拟；立柱钢管在节点内部设置加劲板，混凝土受立柱环箍效应，处于三向受压状态，因此，不考虑混凝土和钢管之间的相对滑移；纵横梁纵向受力钢筋焊接在上下环板上，有限元模型通过CP命令，建立耦合方程，实现钢筋和环板之间的连接。

1.2模型分析
由于结构的多线列车活载的特殊性，工程在结构检算时，采用荷载包络设计的思路，简化组合类型。

结构检算主要是在主力包络或主+附包络状态下进行。

Midas提取荷载组合内力见表1-1所示。

方便施加荷载描述，将荷载工况进行如下定义：
工况一：主力包络最小荷载组合；工况二：主力包络最大荷载组合；
工况三：主+附包络最小荷载组合；工况四：主+附包络最大荷载组合；
表1-1MIDAS单元内力提取
图1-3 MIDAS单元内力提取标示图1-4 ANSYS有限元模型边界
1.3结论
采用ANSYS对立柱节点在主力包络最小荷载工况、主力包络最大荷载工况和主+附包络最小荷载工况、主+附包络最大荷载工况作用下，进行有限元非线性分析计算，提取工况1、工况2、工况3、工况4作用下纵横梁混凝土轴向压应力、纵横梁钢筋轴向应力、纵横梁型钢Von-Mises应力、立柱混凝土轴向压应力、立柱钢管Von-Mises
应力和节点上下加强环板Von-Mises应力。

具体各个工况下结构的应力见表1-2所示。

表1-2各个荷载工况组合结构各部分应力提取结果汇总（单位：MPa）
根据计算分析结果，对结构的安全性做出评价，主要结论如下：通过分析立柱节点在工况1、工况2、工况3和工况4荷载组合
作用下结构的应力，纵横梁混凝土最大压应力为20Mpa；纵横梁型钢骨架最大Von-Mises应力为154Mpa；纵横梁纵向受力钢筋最大轴向
应力为114Mpa；立柱混凝土最大轴向压应力为13Mpa；立柱钢管最大Von-Mises应力为179Mpa；节点上下加强环板最大Von-Mises应力为113Mpa，因此，该立柱结构节点安全性可以得到保证；
立柱节点在四个荷载工况作用下的分析表明：结构在工况3和工况4荷载组合作用下，即主+附包络荷载组合作用下，结构的整体应
力水平和最大应力水平均比工况1和工况2荷载组合作用下结构的整体应力水平和最大应力水平高，说明立柱节点结构的安全性设计主要由工况3和工况4控制；
在工况4荷载组合作用下，纵梁杆件312257为拉杆，造成纵梁
结构在节点根部斜截面出现开裂，横梁杆件305962轴向压力433kN，在弯矩作用下，造成横梁结构在节点根部斜截面出现开裂；混凝土斜截面开裂，使得纵横梁型钢腹板应力增大，在工况4荷载组合作用下，纵梁型钢腹板最大Von-Mises应力为154Mpa。

在工况3和工况4荷载组合作用下，立柱节点根部应力偏大，最大Von-Mises应力达到179Mpa，建议钢管内部环板加密，使钢管应
力更加均匀。

参考文献
1. 王新敏.《ANSYS工程结构数值分析》人民交通出版社，2007.
2.杨成臣，钢管混凝土柱外加强环式节点受力性能研究，【武汉
理工大学硕士学位论文].武汉:武汉理工大学，2007.
作者简介：
张鹏举（1983-），男，助理工程师，2011年毕业于西南交通大学桥梁与隧道工程专业，工学硕士
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