基于三维仿真有限元软件的钢结构节点非线性有限元分析

基于三维仿真有限元软件的钢结构节点非线性有限元分析

刘志勇

邵阳市规划建筑设计（集团）有限公司

摘  要：为了分析某改造项目钢结构节点变形及应力变化规律，便于采取合理的设计方法，以邵阳市某改造项目为工程背景，采用仿真有限元软件对节点进行仿真计算分析。 通过分析结果对设计的节点进行构造调整，安全，经济的完成了本次设计。

关键词：节点有限元分析,钢结构节点；变形，屈曲，网架支座。

前言

结构构件节点好似人体的关节，起到连接承重构件的作用，其性能直接影响着框架的极限承载力、强度、 刚度及稳定性，其构造形式对结构的用钢量影响也很大。节点处应力集中，内力分布复杂，其设计和施工处理难度大，备受人们的关注。若节点失效，将会导致承重构件的直接失效，在荷载作用下，节点核心区往往承受着放大了的剪力，弯矩，往往约为柱子的4~6倍，易产生剪切脆性破坏。

但是现在在一些实际工程中，节点构造越来越复杂，应力往往难以直观的体现，普通的杠性线性分析软件难以做到精准的计算分析，如何做好这部分改造节点分析，一直是设计院头痛的难题。规范在这方面也是通过节点域的计算及节点构造进行加强。而设计往往就是加大再加大，难以做得精准设计。本文通过一个改造实例，和大家一起探讨，分享一下本人在节点分析上碰到的一些问题及处理方法，不当之处还请指正。

1 工程概况

该工程位于湖南省邵阳市，本地抗震设防烈度为6度，地震加速度0.05g,设计地震分组为第一组。该工程为11层框架结构，竣工于2005年，局部中庭开间跨度14.4米x14.4米，因甲方使用功能调整，需在三层楼层层中的中庭位置加设平板网架，用于吊顶，设备安装，便于一层用于使用。

2 改造设计重难点分析

新增网架位于建筑二层，网架支座如何与已有建筑物进行可靠连接。新增支座作用于原柱中部，会对原柱的内力产生多大的影响，原柱内钢筋承重力是否还在规范允许的保证范围内，如何计算分析。网架支座作用在改造的牛腿上，受力比较复杂，如何进行内力分析计算。

3 改造设计的过程

首先通过三维钢结构设计软件3D3S建立平板网架模型，钢材采用Q345,焊缝质量等级二级。建模计算后读取支座最不利组合内力。同时建立原建筑物的结构模型，用以复核加设网架后对基础，及周边梁柱的影响。

图1 网架支座内力及牛腿尺寸

根据钢结构球节点支座内力，通过根据基本构造设计了牛腿的基本尺寸及螺栓定位图，见图1。这个牛腿支座构件通过改造施工附着于原结构，对原结构的影响我们很难通过普通杠性线性分析软件进行分析。这是一个问题。

另外就是该网架支座，在网架荷载作用下的局部应力分布情况不清楚，荷载作用下，钢构件的变现屈曲情况不明了，通常我们只能按经验进行局部加劲板的设置，至于加劲板设置的位置，加强板的型号完全就只能按构造经验进行，如何能在既能保证安全，又经济合理也是一个亟待解决的问题。

4 仿真模型分析

根据以上碰到的问题，我们使用了三维有限元仿真有限元分析软件进行了三维建模及分析，首先通过有限元划分出仿真结构模型，图2，图3。这个模型包含了构件的材料情况，荷载分布及钢筋的布置情况等。

图2  有限元节点模型建立及材料属性

我们对牛腿支座对该柱的配筋及内力的影响进行分析，通过建立该节点位置混凝土柱，钢牛腿的仿真BIM模型，可以定义各种类型的材料特效，如弹性模量，泊松比，容重，初始应力，热膨胀系数，阻尼比等，图3。

这些材料的特性可以让我们精准的建立仿真模型，为精准分析打下了基础。

图3  钢材材料属性

同时我们将柱内钢筋型号及规格，柱混凝土强度，钢牛腿型号及规格按实际情况进行建模，并并且读取了上层柱底内力输入至柱相应位置，这样我们就能完整准确的模拟该构件的实际受力状态。通过静力分析后，我们能通过内力及变形云图准确的得到构件包括每根钢筋的内力及变形情况。用于验证结构的安全性。图4。

图4 静力分析后成果

5 设计处理措施

通过仿真模型的分析后，结构工程师可以直观的掌握到新增钢构件对原结构的影响，包括内力，构件变现情况，局部屈服等情况，在构件变形比较大的位置设置加劲肋，控制构件变现，同时调整应力比超限的构件型号，以满足规范要求。

通过混凝土柱应力图及钢筋内力图，我们可以反算混凝土柱的轴压比情况，及改造后柱内钢筋的内力情况可以直观读出，我们可以验算钢筋是否在规范允许的安全范围内，这样我们便能准确的设计出构件的型号及做法，做到安全设计，精准设计。

6 总结

   我们在钢结构设计时，对于钢结构节点的设计总是难点，而构件的破坏往往就是节点破坏，我们在《钢结构设计标准》GB 50017-2017中节点设计单元，对节点设计做出了节点域计算，及构件强度计算的描述，如12.3.2条明确指出“梁柱采用刚性或半刚性节点时，节点应进行在弯矩和剪力作用下的强度验算。”同时也做节点的腹板，加劲肋，焊缝，螺栓等构件做出了详细的说明。对节点域做出来补强措施做法。但是规范要求的做法对现在层出不穷的各类新出的构造复杂钢结构连接节点，无法全面的规定，这个时候，结构工程师可以借助这类仿真有限元建模工具对结构构件进行验证设计的安全，合理性。

本文借助一实际案例，通过仿真有限元建模工具对结构节点进行精细分析，通过分析结果精细得到变形较大位置，通过设置加劲板进行变形控制，保证构件的屈曲变形。同时能验算构件内力，保证结构安全。相关经验可供后续类似设计工程借鉴。

参考文献

【1】《钢结构设计标准》GB 50017-2017