三角鋼構桁架關鍵節點非線性有限元分析

張亨通，沈小璞

（安徽建筑大學土木工程學院，安徽 合肥 230601）

三角鋼構桁架關鍵節點非線性有限元分析

張亨通，沈小璞

（安徽建筑大學土木工程學院，安徽 合肥 230601）

文章針對大跨度鋼桁架支座關鍵節點，借助 SAP2000和ABAQUS非線性有限元程序，以某實際工程為背景，假設材料為理想的彈塑性，并考慮結構的非線性和幾何非線性分步加載，揭示其在荷載作用下的受力性能以及節點區的應力、應變分布狀態。通過改變關鍵節點主弦桿薄壁厚度進行對比，得到一些基本結論，使我們更加全面的為類似實際工程節點局部受力屈曲變形提供重要參考。

鋼桁架；ABAQUS；彈塑性；非線性分析

1 概 述

過去實際工程結構分析研究主要在彈性階段進行，而彈性理論中線性假設只是實際問題的一種簡化，隨著線性問題的基本理論和分析方法的日趨成熟、完善，加之彈性理論并不能滿足實際工況的需要，故非線性問題的研究便成為學術界和工程應用方面的重點研究方向，并隨著電子計算機技術的飛速發展和有限元分析軟件的出現，大大地促進了鋼結構非線性分析方面的研究發展，而大型通用有限元軟件ABAQUS以精于復雜問題的求解和非線性分析見長，應用于鋼結構節點非線性分析能夠達到較好的擬合效果。

在鋼結構諸多的連接節點形式中，鋼管相貫節點由鋼管構件直接焊接而成，不需要加連接件，節點形式簡單，受力性能好，維護方便，不僅方便施工而且降低造價，為許多設計人員所喜愛。但直接焊接的圓管節點也存在一些缺點，例如其主管軸向剛度很大而橫向剛度很小，在支管拉力或壓力作用下，容易發生局部破壞。另外，由于節點在加工及安裝過程中不可避免的會產生焊接殘余應力，受焊接殘余應力的影響，主管與支管相貫的地方往往會過早出現塑性變形，從而降低極限承載力。

2 模型建立

本文在對鋼管節點進行非線性分析時，考慮局部材料進入塑性而引起的材料非線性；并且由有限元分析計算可知，相貫節點在達到極限承載力時，會產生很大的塑性變形，故而在分析時有必要考慮節點處管壁變形產生的幾何非線性的影響，所以在研究鋼結構相貫節點的過程中，主要考慮了材料非線性和幾何非線性，而在建立結構計算模型時，暫不考慮焊縫和材料缺陷對承載能力的影響。

圖1 Q235理想彈塑性δ-ε

材料Von Mises屈服準則：

在一定的變形條件下，當受力物體內一點的應力偏張力的第二不變量 J2'達到某一定值時，該點就開始進入塑性狀態。即

用主應力表示

式中sσ—材料的屈服點，K—材料的剪切屈服強度。

所以，米塞斯屈服準則也可以表述為：在一定的變形條件下，當受力物體內一點的等效應力達到某一定值時，該點就開始進入塑性狀態。

結合一個實際項目“合肥某特勤保障站室內訓練館屋蓋項目”，如圖2所示，結構采用三角鋼桁架，跨度34.6m，由于支座處斜腹桿軸力大，弦桿直徑大、壁厚薄的特點，對其節點是否會發生局部屈曲失穩破壞進行了的模擬分析與研究。

先用 SAP2000對鋼結構屋架進行整體分析，恒荷載取 0.40kN/m2，活荷載取0.50kN/m2，雪荷載取0.70kN/m2（百年一遇），風荷載取0.40kN/m2（百年一遇），得到桿件單元4、17、18、186、187內力，腹桿釋放，內力主要為軸向力。桿件截面尺寸、軸力見表1。

在 SAP2000中提取桿件內力，再在ABAQUS有限元軟件中對節點桿件分級輸入內力，用軸力除以各個桿件橫截面積，得到壓強。對于節點分析時，適當考慮實際節點端頭局部剛度，模擬腹桿長度取2.5d，節點模型受力見圖3，在各個單元桿件局部坐標系中，約束y，z方向，釋放x方向（軸向），對其進行有限元模擬分析。

節點模擬網格劃分采用實體單元（C3D8R單元），在此模型分析中按5個分析步考慮，具體荷載分步見圖4。

3 模擬結果分析

從 SAP2000桿件結構分析提取得支座處4號主弦桿軸力很小，但腹桿17、18號桿件軸力大，4號弦桿與17、18號腹桿直徑相差又較大，除了設計組J-1中采用的弦桿Φ299×12.0，我們還另取一對照組 J-2用Φ299×8.0代替弦桿，而其他條件不變的情況下與實際設計組J-1模擬對比分析。

圖2 三角桁架關鍵節點

桿件截面尺寸及軸力 表1

圖3 支座節點模型圖

圖4 關鍵節點加載機制

圖5 J-1組應力云圖

圖6 J-2組應力云圖

根據J-1、J-2模擬應力云圖，我們選取了在 3個應力最大位置處具有代表意義的8個點，弦桿與腹桿結合處（8656、8691、59511、60725）；弦桿與加筋肋結合處（57947、59490、60246）；弦桿管件內側頂部擠壓處（92097），多處點應力值均達到屈服值235MPa，而J-1在STEP-5才使得上述三處局部應力達到235MPa，未發生較大變形（最大變形值為 0.34mm），J-2在 17、18號腹桿軸向應力達到 STEP-3（70.5N/mm2）時，上述3處局部應力達到235MPa，而隨著荷載進一步增大，周圍實體單元應力重分布，隨即也相繼達到235MPa，隨著荷載增大、材料應變的積累，4號弦桿與 17、18號腹桿相貫節點位置向4號弦桿軸向發生大的位移變形值已經達到8.32mm，大于管件壁厚8mm，節點位置不適宜繼續承載。

4 結 論

對于大直徑、薄壁主弦桿桁架節點，喪失繼續承載能力是以主弦桿受壓局部屈曲失穩為主的破壞模式。故為實際工程設計中三角桁架結構時，支座處主弦桿即使軸向應力小也要加大壁厚以防局部屈曲所引起整個結構破壞而提供重要模擬分析參考。但是，由于本文僅僅對空間相貫節點的力學分析和探討做了與之相關的很小的一個方面，而焊接殘余應力、動力荷載作用下力學特性、疲勞破壞機理等影響的研究內容還有必要做進一步的研究和探討。

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TU323.4

A

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10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.02.066