ANSYS空间钢结构节点承载力验证-有限元方法实践

当前，随着我国经济及科技的不断发展，越来越多的新型建筑出现，尤其是大型公共建筑，包括机场、体育馆等很多时候都采用大型空间钢结构作为建筑物的屋盖结构体系，空间钢结构结构形式多种多样，如网壳结构、网架结构、弦支穹顶结构、悬索结构等。

图-北京大兴机场

伴随着结构形式的多样化，空间钢结构节点越来越趋于复杂化和异形化，传统的计算软件以及规范在一定程度上已经不能满足计算要求，而这时常常需要有限元软件来对节点进行承载力的复核计算。

常用的空间钢结构节点形式有：螺栓球节点、焊接球节点、相贯节点、铸钢节点等，下图为一些节点的工厂图片。

复杂的焊接球节点、相贯节点及铸钢节点常需进行弹塑性有限元分析来确定其极限承载能力，节点分析重点在于建立节点的实体模型及提取、施加节点所受荷载。

钢结构节点分析原则与流程

结合规范要求以及个人在节点分析板块的分析经验，钢结构节点分析的一般性原则如下：

• 复杂、重要、典型节点的有限元分析宜采用实体单元进行弹塑性分析。对铸钢节点，在节点与构件连接处、节点内外表面拐角处等易于产生应力集中的部位，实体单元的更大边长不应大于该处最薄壁厚，其余部位的单元尺寸可适当增大，但单元尺寸变化宜平缓。(单元划分准则)

• 节点的有限元分析中，根据节点的具体约束形式确定与实际情况相似的边界条件。

• 节点的有限元分析中，作用在节点上的外荷载和约束力的平衡条件应与设计内力一致。

• 节点承受多种荷载工况时，可根据经验将提取的较具代表性的一种荷载工况下的设计内力乘以1.1~1.3的内力放大系数，作为所有工况下的设计内力。

• 为了减少计算资源要求和节省计算时间,并防止非节点区过早破坏，更好地分析节点区的受力状态，宜对非节点区设置成弹性材料进行分析。

• 进行弹塑性有限元分析时，节点材料的应力-应变曲线宜采用具有一定强化刚度的二折线模型。复杂应力状态下的强度准则应采用von Mises屈服条件。

• ……

常用的有限元分析软件可以选择ANSYS、ABAQUS、MidasFea，但无论选择哪一种软件，分析的流程基本一致：

• 第一步：确定分析对象；
• 第二步：几何实体模型的建立；
• 第三步：提取节点内力和等效节点力（关键）；
• 第四步：更佳约束的选取（关键）；
• 第五步：施加荷载、求解结构位移曲线曲线，根据曲线判定节点承载力。

基于Workbench KX型 圆钢管相贯节点计算

在大跨度桁架结构中，钢管相贯节点应用颇多，其节点形式多样，KX型作为其中的一种基本，一般用于主次桁架相交或链接面外有支撑（或系杆）的节点部位。空间KX型节点有四根杆件与一弦杆相交，其中两根是其轴线与弦杆轴线同平面的腹杆，另外两根是相交桁架的非贯通弦杆或者支撑杆件（或系杆），称之为支杆，如下所示。

本案例为一屋架结构中的节点，腹杆与弦杆夹角为45度，支杆与弦杆尺寸、腹杆夹角为90度，腹杆尺寸为219*8，腹杆、支杆尺寸为140*7，钢材选用Q345B，考虑钢材为理想弹塑性本构模型，弦杆考虑一端固定，一端仅允许沿弦杆轴线方向有位移，腹杆和支杆端部约束仅允许沿杆轴线有位移，单元采用壳单元，本次计算模型如下：

计算过程如下：

1、打开Workbench19.0，新建静力分析，双击【Enginneering Data】，新建材料模型为Q345B，输入弹性模量为2.06e11Pa,泊松比为0.3，密度为7850kg/m^3，本构模型选用双线性等向强化模型，如下所示。

2、回到项目树，右键点击【Geometry】,选择用SpaceClaim建模，打开SpaceClaim。点击File>SpaceClaim>units,设置长度单位为m。

3、依次建立各个杆件的轴线以及端部圆，建模思路采用线沿路径拉伸成面，注意此时圆的直径为外径减去壁厚。

4、在SC中利用分割、融合等操作，对各个面进行布尔运算。

5、在SC树形菜单中选中所有的面，点击右键，选中move to new component，形成新的元件，点击元件，在属性analysis中选择share。

6、点击保存，退出SC，进入wb项目树，双击model，进行网格划分界面。点击Model>Geometry>Gangguan，分别对每个面进行厚度赋值，同时设置材料为Q345B。

7、右键点击Mesh>Insert>Sizing，添加网格尺寸,选中所有面，指定网格尺寸为0.01m。

8、右键点击Mesh>Insert>Refinement，选中相贯区域四条线，进行局部加密。

9、点击点击Mesh>Generate mesh，生成网格。

10、进入项目树，点击Setup，进入荷载和约束的施加。右键单击Static Structural>Insert>Fixed support，按计算模型所示施加弦杆一端的固定约束，其他方向同理。注意各个腹杆在施加约束时要切换至局部坐标系。

11、右键单击Static Structural>Insert>

Force，输入荷载，按计算模型输入相关荷载。

12、右键点击Analysis Structural>Analysis Settings，进行求解设置。

13、结果查看

1）结果位移云图如下，更大位移值为0.99mm。

2）结果应力云图如下，从图中可见，在腹杆与弦杆相贯区域已出现屈服，这主要是应力集中的影响，实际施工时，应严格控制此处焊缝的施工质量，同时设计时可考虑采用节点套管、内加劲环口板、外加劲肋板等加强措施进行加强处理。

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