杭州某科技館重要節(jié)點數(shù)值模擬分析

林利民 陳 雯 張振興

(1.中國聯(lián)合工程公司，浙江 杭州 310022;2.浙江省水利水電勘測設(shè)計院，浙江 杭州 310002)

1 工程概況

杭州科技館建筑面積33 656 m2，主體結(jié)構(gòu)采用鋼框架結(jié)構(gòu)體系，大空間布局，1層層高9 m，2，3層層高8 m，4層層高6 m，效果圖見圖1。1層以上外圍采用轉(zhuǎn)化梁或懸挑牛腿實現(xiàn)梁托柱，鋼柱采用外斜鋼柱，增加內(nèi)部空間，外斜鋼柱挑梁托柱形式。

圖1 杭州科技館效果圖

2 計算模型和參數(shù)確定

2.1 節(jié)點選取和模型建立

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點和施工工藝，選取結(jié)構(gòu)的典型節(jié)點，選取挑梁托柱連接節(jié)點類型，見圖2。依據(jù)工程經(jīng)驗和設(shè)計要求，節(jié)點分析采用彈性分析，建筑結(jié)構(gòu)材料采用Q345，假定材料為各向同性，彈性模量 E=2.06 ×105MPa，泊松比 v=0.3。

節(jié)點分析采用大型通用軟件ANSYS，在模型中選擇SOLID185實體單元［1］，此單元為8節(jié)點三維實體結(jié)構(gòu)單元，每個節(jié)點有三個自由度(Ux，Uy，Uz)。為了使有限單元劃分規(guī)則，提高計算速度和精確度，將實體模型拆分成若干個六面體的組合結(jié)構(gòu)，采用映射網(wǎng)格劃分，有限元模型如圖3所示，總共有6 580個單元。

圖2 挑梁拖柱連接節(jié)點

圖3 節(jié)點整體有限元模型

2.2 計算分析

根據(jù)設(shè)計要求和結(jié)構(gòu)受力特點，在不同施工階段，數(shù)值分析懸挑構(gòu)件承受的荷載，主要分五個荷載工況施加。節(jié)點分析分五個階段進行加載:

第一階段為結(jié)構(gòu)第一層施工完成后承受的荷載;

第二階段為結(jié)構(gòu)第二層施工完成后承受的荷載;

第三階段為結(jié)構(gòu)第三層施工完成后承受的荷載;

第四階段為結(jié)構(gòu)第四層施工完成后承受的荷載;

第五階段為結(jié)構(gòu)圍護施工完成后承受的荷載，每個荷載步分四個子步施加，每個階段定義為一種荷載工況。

節(jié)點數(shù)值分析采用ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言［2］(APDL)，實現(xiàn)參數(shù)化建模、施加荷載與求解及后處理，達(dá)到簡單化并高效率分析各種設(shè)計工況。對有限元模型進行數(shù)值模擬分析，得到各個荷載工況的計算結(jié)果。各荷載工況下構(gòu)件第一主應(yīng)力分布如圖4所示。從圖中可以看出，構(gòu)件最大應(yīng)力均出現(xiàn)在牛腿上翼緣板與腹板相交位置，隨著荷載增加，應(yīng)力逐漸增加，有加勁位置的翼緣上表面拉應(yīng)力也比較大，在兩加勁板之間上翼緣下表面受壓，整個翼緣板應(yīng)力分布呈對稱分布。

圖4 各工況應(yīng)力分布圖

圖5為牛腿腹板中心剖面截面上等效應(yīng)力的分布情況，腹板翼緣板附近應(yīng)力較大，達(dá)到92.4 MPa，根據(jù)材料第四強度理論可以看出，在這個位置節(jié)點最容易變形，甚至破壞，因此梁柱節(jié)點必須保證柱與牛腿上翼緣可靠連接，牛腿翼緣與柱焊縫要剖口焊，焊縫等級應(yīng)為一級，保證牛腿根部不先出現(xiàn)破壞，提高結(jié)構(gòu)安全可靠性。

圖5 工況5腹板von mises應(yīng)力分布圖

圖6 工況5牛腿剖面von mises應(yīng)力

圖7 工況5節(jié)點剖面von mises應(yīng)力

從圖6，圖7中可以看出，在有加勁板位置以及加勁板上端應(yīng)力較大，應(yīng)力比較集中，絕大部分荷載通過加勁肋傳遞，加勁肋實際分擔(dān)的荷載很不均衡，不均衡程度與加勁肋的具體構(gòu)造相關(guān)［3］，由此可見，集中力位置加勁肋厚度應(yīng)適當(dāng)加厚，在加工及運輸安裝過程中，要防止加勁板碰撞變形，翼緣板表面無劃傷以及材料缺陷，現(xiàn)場焊接過程中，應(yīng)采取措施，防止上翼緣因現(xiàn)場過度焊接而變形過大，損傷母材，產(chǎn)生薄弱缺陷，影響結(jié)構(gòu)安全。

3 結(jié)語

通過分析，牛腿腹板與上翼緣板相焊處較大應(yīng)力集中，設(shè)計和鋼構(gòu)件加工時應(yīng)引起注意，要適當(dāng)提高焊縫質(zhì)量要求，并采取措施防止此處應(yīng)力過大。牛腿兩側(cè)加勁肋傳遞著牛腿上的集中力，設(shè)計時應(yīng)重視該加勁肋的設(shè)置，板厚度適當(dāng)增加，制作、施工過程中要防止加勁肋變形。局部荷載附近的加勁肋所受的力比遠(yuǎn)處的大，不均衡程度與加勁肋的具體構(gòu)造相關(guān)，所以在設(shè)計時應(yīng)該給予考慮。

［1］ 王勖成.有限單元法［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2003.

［2］ 龔曙光，謝桂蘭，黃云清.ANSYS參數(shù)化編程與命令手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2009.

［3］ 張治國，楊叢娟，劉 進.鋼牛腿極限承載力分析［J］.石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報，2004，17(2):70-72.