浙江大学紫金港校区文体中心钢结构关键节点有限元分析

浙江大学紫金港校区文体中心钢结构关键节点有限元分析

余传波

浙江东南钢结构有限公司，浙江，杭州， 311209

【摘要】浙江大学紫金港校区文体中心工程位于紫金港校区东部、风雨操场西侧。6000座位的体育馆建筑设计将为浙江大学校园内提供一个集中了高科技和环保理念的综合性体育场区，体育馆的顶部设计突出戏剧化的造型，顶部悬浮于主体建筑之上，由四根桁柱上伸出的悬缆固定，顶部呈现树叶的形态悬浮于主体建筑之上。四根高挑的桁柱上伸出24根前式承重索和8根后式承重索，东西两侧拔地而起4根稳定索，这些索从各个方向将体育馆屋顶漂浮的那枚“树叶”牢牢锁住，稳稳地悬固在空中。

【关键词】 体育场钢结构；悬索结构；铸钢节点；桅杆

1、工程概况

浙江大学紫金港校区文体中心结构系统的上部是柔性的桅杆斜拉索网系统，下部是单层（局部双层）刚性网格结构系统，形成“上吊下”的张力结构，刚柔并济将建筑美与结构美有机结合，从而使整个建筑构造形式活泼，结构轻盈，体态优美。这种柔性桅杆斜拉索网吊挂刚性网格结构的系统，建筑创意先进，空间结构复杂，作为一种全新的非线性的结构受力体系，国内建筑领域迄今尚无先例。

浙江大学紫金港校区文体中心效果图

2、设计概况

屋盖钢结构由桅杆斜拉索网系统、金属屋盖结构系统、周圈支承钢柱系统以及低屋面周圈挑檐系统四部分构成。除中部一梭形区域凸出屋面外，屋盖曲面形状总体为部分球面，同时周圈设外挑檐(高端挑檐)。金属屋盖主体结构采用刚性结构体系，由南北向布置的钢梁和平面桁架(凸屋面区域)组成，同时在钢梁、桁架间设置支撑以加强结构的整体性和稳定性。刚性屋盖结构的竖向支承条件包括三部分:周圈由支承钢柱系统提供；部分主钢梁的跨中支承在看台区的混凝土框架梁上；桅杆斜拉索网系统提供屋盖中部吊点。

索杆系统三维轴测图 整体结构三维图

周圈支承钢柱系统由30根等分布置在直径为100m圆周上的圆管柱组成。每根支承柱沿圆周径向向外倾斜8度，柱间局部设置六道柱间支承。周圈支承柱外约+5.5m标高处设置一圈低屋面挑檐。低屋面挑檐结构由沿周圈等分的60榀单柱门架构成，单柱也沿圆周径向向外倾斜8度。

施工中的浙江大学紫金港校区文体中心钢结构

桅杆斜拉索网系统由四组斜拉桅杆、中部稳定索网和吊索三部分组成。每组斜拉桅杆包括一根40m标高的倾斜梭形桅杆和两根后端拉索以及六根前端斜拉索。中部稳定索网将所有前端斜拉索联系成整体，通过对稳定索张拉使之与四组斜拉桅杆共同形成一个稳定的预应力系统，最终再通过吊索为刚性屋盖结构提供中部支承点。

3、节点分析思路

节点在钢结构建筑中中起到了连接枢纽的作用，节点一旦先于构件破坏，将导致整个结构系统传力瘫痪，后果不堪设想，为了响应强节点、弱构件的设计概念，必须对钢结构工程中的某些关键节点进行有限元分析，确保节点极限承载力大于或远远大于设计承载力，具备足够的安全裕度保证整个结构的安全，以下是我们根据整体分析的结果，经过分析并挑选了几个我们认为强度可能不够且作用非常关键的节点进行有限元分析。

4、铸钢节点设计

建筑结构中,铸钢节点是将结构构件、部件或板件连接成一体的铸钢件。铸钢节点在国内许多工程中已广泛应用,其优点如下[1-4]:1)多杆连接时可避免、降低节点处的残余应力;2)节点外形多样,满足特殊外形几何造型的要求;3)整体浇注且壁厚大于相邻杆件,因此节点刚度大,整体性好;4）铸钢节点为工厂成品制作，质量易于保证，且杆件夹角处为圆弧过渡，避免了应力集中现象。

本文采用ANSYS有限元软件对异形铸钢节点的力学性能进行分析。首先分析了节点区域在设计荷载作用下应力分布情况以及变形量，判断其能否满足实际工程设计要求，其次分级加载得到危险点的荷载-位移曲线和此时的应力及变形云图，然后进一步研究了节点破环时的一些特征，最后对此类异形铸钢节点提出优化设计建议。 通过本文分析得出，该节点在设计荷载作用下的应力和变形都很小，不会发生破坏，能够满足正常工作的要求。

铸钢节点采用铸钢件，材质为：G20Mn5N，热处理状态为正火。其材性指标见下表。

表1 铸钢件化学成分表（％）

注：铸件厚度t≤28mm时，可允许S含量不大于0.03％；

表2 铸钢件力学性能表

为保证索夹与环索之间不相对滑动，索夹与环索接触的内侧面应用电焊条拉毛刺，毛刺高度应为1～2mm。另外，上下索夹之间的螺栓在拉索张拉后二次拧紧。

5、铸钢节点有限元分析

（1）分析内容

整个拉索体系的受力节点有①连接稳定索、中部水平索、桅杆前端斜拉索和吊索的索夹；②连接桅杆前端斜拉索和后端斜拉索的桅杆顶端节点；③连接稳定索、桅杆前端拉索和吊索的铸钢节点。因此对上述三种构件进行分析。

由结构的对称性，桅杆顶端节点和铸钢节点各取一个进行分析，索夹选取一个受力最为不利的进行分析。

分析的目的是通过弹塑性有限元分析，跟踪加载过程，获得变形和应力随加载过程的变化曲线，得出节点在荷载下的极限承载力和节点设计承载力，并且跟已提供的拉索的设计内力、破断力做比较，判断结构是否安全。

（2）有限元分析原则

①铸钢节点有限元分析采用实体单元。

②复杂应力状态按照von Mises屈服准则判断是否达到屈服；

③有限元计算时作用在节点上的外荷载（耳板压力或支座反力）必须满足刚体平衡条件。有限元分析时刚体位移可通过施加附加约束排除，附加约束处的反力应等于或接近于零。

（3）有限元分析方法

根据以上铸钢节点有限元分析的原则，并结合本工程节点实际情况制定以下分析思路：

①根据节点设计尺寸，建立节点空间三维模型作为计算模型，并符合实际的几何关系；铸钢节点各边、各相交部位进行倒圆角。

②考虑到索夹应力状况较为复杂，难免局部存在应力集中现象，导致弹性应力过大。为尽量符合实际，采用弹塑性有限元分析。

③设计极限荷载

与索夹相连的索体有：稳定索、中部水平索、桅杆前端斜拉索和吊索。稳定索、中部水平索、桅杆前端斜拉索和吊索的内力应是平衡的。与桅杆相连的的索体有桅杆前端斜拉索和后端斜拉索。与铸钢节点相连的索体有稳定索、桅杆前端拉索和吊索。

④铸钢节点分析极限荷载：取设计极限荷载的5倍。

⑤材料屈服准则为Von Mises准则。材料弹性模量E=2.06×105N/mm2，泊松比µ=0.3。屈服强度取300MPa，设计强度取235MPa。

⑥单元类型和网格划分：采用solid95单元，每个单元12个节点，每个节点3个自由度。考虑到计算精度要求和计算工作量的大小，按照Smartsize尺寸等级2智能划分实体单元，对拉索耳板部分再给予优化细分。

铸钢节点有限元分析结果

4）节点位移随加载变化曲线图

下面列出这些区域中应力较大节点的位移随加载过程的曲线图。

①、S4-1、S6-3索夹的位移随加载过程的曲线图

与桅杆前端拉索相连的耳板销孔处节点位移—荷载曲线

②、桅杆顶端节点的位移随加载过程的曲线图

③、S1-1上端铸钢节点的位移随加载过程的曲线图

位移随加载变化曲线可见，索夹的极限承载力约为设计工况下的最大拉索内力的2.7倍，桅杆顶端节点的极限承载力约为设计工况下的最大拉索内力的1.8倍。铸钢节点的极限承载力约为设计工况下的最大拉索内力的3倍.且随加载过程，上述三种构件首先失效部位均在与径向拉索相连的耳板销孔处。

5）结论

从应力云图可见，S6-1、S6-3索夹应力较大区域主要是：与桅杆前端斜拉索相连的耳板销孔；桅杆顶端节点应力较大区域主要是：与桅杆前、后端斜拉索相连的的耳板销孔和耳板根部，以及桅杆内的靠近外部耳板根部的加劲肋；铸钢节点应力较大区域主要是：与稳定索相连的的耳板销孔处。

6、结语

通过对工程应用中的典型设计节点进行有限元分析，在校核节点承载力及安全性的同时，更是对节点设计中行之有效的均匀应力的处理方法及优化措施有了进一步的理论认识。综合以上，对于节点设计优化措施有如下几点体会：

（1）在与拉索相连的耳板销孔位置处，以及耳板根部、耳板加劲肋位置处，会出现较大的应力集中现象，应设置合理的耳板厚度，并确定合适的销孔孔径，以及在耳板根部设置与耳板等厚的肋板，能有效地减缓该区域附近处应力集中，均匀节点区应力。

（2）柱由上部圆管到下部支座锚筋的连接可通过铸钢节点连接实现，避免了节点核心区焊缝过于集中、节点区域应力突变现象的出现，计算分析表明，通过采用这种形式的铸钢节点，在节点核心区应力分布趋于均匀平缓，避免了应力集中现象的出现，使节点承载力和安全性得到了大的提高，是一种较理想的转换节点。

浙江大学紫金港校区文体中心体育馆采用全新张力结构，体系独特，为国内独创，这种新的张力结构今后可以较好地解决大跨度空间的结构覆盖实现问题，对我国悬索结构的发展将起到重要的促进作用。

参考文献：

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