1、三角钢构桁架关键节点非线性有限元分析张亨通 （安徽建筑大学土木工程学院，合肥，230601；）摘要 本文针对大跨度钢桁架支座关键节点，借助 SAP2000 和 ABAQUS 非线性有限元程序。以某实际工程为背景，假设材料为理想的弹塑性，并考虑结构的非线性和几何非线性分步加载，揭示其在荷载作用下的受力性能以及节点区的应力、应变分布状态。通过改变关键节点主弦杆薄壁厚度进行对比，得到一些基本结论，使我们更加全面的为类似实际工程节点局部受力屈曲变形提供重要参考。关键词 钢桁架； ABAQUS； 弹塑性；非线性分析。Study on the nonlinear finite element analys
2、is of triangular steel trusss key nodeZhang Hengtong(Anhui architecture university institute of civil engineering,Hefei,230601)Abstract：In this paper, a nonlinear finite element program of SAP2000 and ABAQUS is aimed at the key nodes of large span steel truss support.Taking an actual project as the
3、background, assu-ming the material as ideal elastic plasticity and considering the structure and geometrical nonlin- ear load step by step, to reveal the under load by force performance and joint zone should stress and strain distribution. Through the comparison of the thin wall thickness of the key
4、 nodes, some basic conclusions have been obtained, which make us more comprehensive to provide an impor- tant reference for the local buckling deformation of the similar engineering joints.Key words:steel truss;ABAQUS;elastic plastic;nonlinear analysis 0. 引言过去实际工程结构分析研究主要在弹性阶段进行，而弹性理论中线性假设只是实际问题的一种简
5、化，随着线性问题的基本理论和分析方法的日趋成熟、完善，加之弹性理论并不能满足实际工况的需要，故非线性问题的研究便成为学术界和工程应用方面的重点研究方向，并随着电子计算机技术的飞速发展和有限元分析软件的出现，大大地促进了钢结构非线性分析方面的研究发展，而大型通用有限元软件 ABAQUS 以精于复杂问题的求解和非线性分析见长，应用于钢结构节点非线性分析能够达到较好的拟合效果。在钢结构诸多的连接节点形式中，钢管相贯节点由钢管构件直接焊接而成，不需要加连接件，节点形式简单，受力性能好，维护方便，不仅方便施工而且降低造价，为许多设计人员所喜爱。但直接焊接的圆管节点也存在一些缺点，例如其主管轴向刚度很大而
6、横向刚度很小，在支管拉力或压力作用下，容易发生局部破坏。另外，由于节点在加工及安装过程中不可避免的会产生焊接残余应力，受焊接残余应力的影响，主管与支管相贯的地方往往会过早出现塑性变形，从而降低极限承载力。1. 模型建立 本文在对钢管节点进行非线性分析时，考虑局部材料进入塑性而引起的材料非线性；并且由有限元分析计算可知，相贯节点在达到极限承载力时，会产生很大的塑性变形，故而在分析时有必要考虑节点处管壁变形产生的几何非线性的影响，所以在研究钢结构相贯节点的过程中，主要考虑了材料非线性和几何非线性，而在建立结构计算模型时，暂不考虑焊缝和材料缺陷对承载能力的影响。1.1 材料本构关系图 1-1 Q23
7、5 理想弹塑性 -材料 Von Mises 屈服准则:在一定的变形条件下，当受力物体内一点的应力偏张力的第二不变量 J2达到某一定值时，该点就开始进入塑性状态。即 222222 66Kszxyxxsxyyx 用主应力表示 2221323221 式中 -材料的屈服点 -材料的剪切屈服强度s K与等效应力 比较，可得szxyxxzzyyx 22222 621所以，米塞斯屈服准则也可以表述为：在一定的变形条件下，当受力物体内一点的等效应力达到某一定值时，该点就开始进入塑性状态。结合一个实际项目“合肥某特勤保障站室内训练馆屋盖项目”。如图 1-2 所示，结构采用三角钢桁架，跨度 34.6m，由于支座处
8、斜腹杆轴力大，弦杆直径大、壁厚薄的特点，对其节点是否会发生局部屈曲失稳破坏进行了的模拟分析与研究。先用 SAP2000 对钢结构屋架进行整体分析，恒荷载取 0.40KN/m2；活荷载去0.50KN/m2；雪荷载取 0.70KN/m2（百年一遇）；风荷载取 0.40KN/m2（百年一遇）。得到杆件单元 4、17、18、186、187 内力，腹杆释放，内力主要为轴向力，杆件截面尺寸、轴力见表 1.1.图 1-2 三角桁架关键节点表 1.1 杆件截面尺寸及轴力杆件代号 钢材型号 横截面积 mm 轴力 KN 压强 N/mm4 299x12.0 10814.16 45.42 4.217 133x6.0
9、2392.68 280.30 117.518 133x6.0 2392.68 280.30 117.5186 83x5.0 1224.6 12.86 10.5187 83x5.0 1224.6 12.86 10.5在 SAP2000 中提取杆件内力，再在 ABAQUS 有限元软件中对节点杆件分级输入内力，用轴力除以各个杆件横截面积，得到压强。对于节点分析时，适当考虑实际节点端头局部刚度，模拟腹杆长度取 2.5d，节点模型受力见图 1-3，在各个单元杆件局部坐标系中，约束y,z 方向，释放 x 方向（轴向），对其进行有限元模拟分析。图 1-3 支座节点模型图 图 1-4 关键节点加载机制节点模拟
10、网格划分采用实体单元（C3D8R 单元），在此模型分析中按五个分析步考虑，具体荷载分步见图 1-4。2.模拟结果分析从 SAP2000 杆件结构分析提取得支座处 4 号主弦杆轴力很小，但腹杆 17、18 号杆件轴力大，4 号弦杆与 17、18 号腹杆直径相差又较大，除了设计组 J-1 中采用的弦杆299x12.0，我们还另取一对照组 J-2 用 299x8.0 代替弦杆，而其他条件不变的情况下与实际设计组 J-1 模拟对比分析。根据 J-1、J-2 模拟应力云图，我们选取了在三个应力最大位置处具有代表意义的 8 个点，弦杆与腹杆结合处（8656、8691、59511、60725）；弦杆与加筋肋
11、结合处（57947、59490、60246）；弦杆管件内侧顶部挤压处（92097），多处点应力值均达到屈服值 235MPa，而 J-1 在 STEP-5 才使得上述三处局部应力达到 235MPa，未发生较大变形（最大变形值为 0.34mm），J-2 在 17、18 号腹杆轴向应力达到 STEP-3（70.5N/mm 2)时，上述三处局部应力达到 235MPa，而随着荷载进一步增大，周围实体单元应力重分布，随即也相继达到 235MPa，随着荷载增大、材料应变的积累，4 号弦杆与 17、18 号腹杆相贯节点位置向 4 号弦杆轴向发生大的位移变形值已经达到 8.32mm，大于管件壁厚 8mm，节点位
12、置不适宜继续承载。图 2-1 J-1 组应力云图 图 2-2 J-2 组应力云图3.结论对于大直径、薄壁主弦杆桁架节点，丧失继续承载能力是以主弦杆受压局部屈曲失稳为主的破坏模式。故为实际工程设计中三角桁架结构时，支座处主弦杆即使轴向应力小也要加大壁厚以防局部屈曲所引起整个结构破坏而提供重要模拟分析参考。但是，由于本文仅仅对空间相贯节点的力学分析和探讨做了与之相关的很小的一个方面，而焊接残余应力、动力荷载作用下力学特性、疲劳破坏机理等影响的研究内容还有必要做进一步的研究和探讨。 【参考文献】1赵伟.钢结构空间相贯节点非线性有限元分析：西南交通大学出版社，2006.12.1.2石亦平.ABAQUS
13、 有限元分析实例详解：机械工业出版社，2012.09.013曹金凤.ABAQUS 有限元分析常见问题解答 .：机械工业出版社，2012.09.014周鹏.空间 KX 型圆管相贯节点极限承载力分析：重庆大学出版社，2009.05.015廖贤.大尺寸空间 KK 型圆钢管相贯节点的极限承载力分析：重庆大学出版社，2009.06.016郑伯兴.空间 KT 型圆钢管相贯节点极限承载力研究：湖南大学出版社，2007.05.087李懿.钢结构圆钢管相贯节点极限承载力分析：太原理工大学出版社，2011.05.018鲍华.圆钢管相贯焊节点计算的国内外规范比较：工业建筑，2012.02.209黄龙.钢管桁架中 KK 型相贯节点的受力性能分析：内蒙古科技大学出版社，2014.07.10
