大跨度車站雨棚鑄鋼節(jié)點(diǎn)的有限元分析

鄧志勇，吳 龍，林美蘭

（1.三明學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 三明，365004;2.三明學(xué)院 外國(guó)語(yǔ)學(xué)院，福建 三明，365004））

大跨度車站雨棚鑄鋼節(jié)點(diǎn)的有限元分析

鄧志勇1，吳 龍1，林美蘭2

（1.三明學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 三明，365004;2.三明學(xué)院 外國(guó)語(yǔ)學(xué)院，福建 三明，365004））

介紹了車站雨棚鑄鋼節(jié)點(diǎn)的分布和結(jié)構(gòu)，分析了國(guó)內(nèi)外鑄鋼節(jié)點(diǎn)的選材，通過(guò)節(jié)點(diǎn)模型的建立、材料屬性的設(shè)置、網(wǎng)格劃分、約束和不利工況下載荷的設(shè)置，運(yùn)用有限元方法，對(duì)雨棚的典型鑄鋼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了應(yīng)力應(yīng)變分析,得到應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D和載荷分布規(guī)律。分析結(jié)果表明：在不利工況下，雨棚的鑄鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)力小于鑄鋼材料的屈服強(qiáng)度要求，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)安全可靠，為節(jié)點(diǎn)的制造以及進(jìn)一步的研究提供一些基礎(chǔ)的依據(jù)。

鑄鋼節(jié)點(diǎn)；有限元；車站雨棚；應(yīng)力;應(yīng)變

隨著建筑工程鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展，其跨度不斷增大，結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)和應(yīng)用越來(lái)越復(fù)雜，諸如螺栓球節(jié)點(diǎn)、鋼管相貫節(jié)點(diǎn)、焊接空心球節(jié)點(diǎn)、焊接鋼板節(jié)點(diǎn)等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)難以滿足復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)（尤其是大跨度空間結(jié)構(gòu)）對(duì)機(jī)械性能和制造工藝的要求。鑄鋼節(jié)點(diǎn)具有優(yōu)良的性能，它不僅結(jié)構(gòu)形式多樣、造型美觀、空間設(shè)計(jì)自由度較大，而且具有適應(yīng)性強(qiáng)、機(jī)械加工性能優(yōu)良，殘余應(yīng)力小的優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)鑄造工藝和相關(guān)技術(shù)發(fā)展較快，鑄鋼節(jié)點(diǎn)逐步取代了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并開始應(yīng)用于火車站站臺(tái)雨棚、大型體育館、會(huì)展中心、博物館和劇院等大跨度建筑結(jié)構(gòu)的空間桿件連接中[1-3]。然而，國(guó)內(nèi)目前的鑄鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)還夠不完善，有時(shí)還不能完全滿足設(shè)計(jì)和施工要求，許多建筑工程應(yīng)用中，仍需參照德國(guó)、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，因此，有必要對(duì)復(fù)雜空間鑄鋼節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行有限元分析，從而保證鑄鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的安全性和可靠性，為工程提供參照和驗(yàn)證[4-5]。

某車站雨棚鋼結(jié)構(gòu)總圖如圖1所示，雨棚總長(zhǎng)約430.3 m，其中，用于支撐框架柱頂?shù)闹虚g段長(zhǎng)度約為163.5 m，兩側(cè)段的長(zhǎng)度約為133.4 m。雨棚采用了鋼架拱和縱向系桿相結(jié)合的空間桁架鋼結(jié)構(gòu)。作為主要受力體系，鋼架拱和縱向系桿均采用矩形截面。雨棚兩側(cè)的柱子設(shè)計(jì)為樹形結(jié)構(gòu)，柱子樹形結(jié)構(gòu)的相交點(diǎn)為鑄鋼節(jié)點(diǎn)，各鑄鋼節(jié)點(diǎn)分別沿鋼結(jié)構(gòu)縱向兩側(cè)對(duì)稱布置。鑄鋼節(jié)點(diǎn)采用箱型構(gòu)件，采用GS20Mn5材質(zhì)（參照德國(guó)標(biāo)準(zhǔn) DIN17182）

圖1雨棚鋼結(jié)構(gòu)總圖

由于空間跨度大，受力狀況復(fù)雜，為了確保安全性和可靠性，在設(shè)計(jì)和施工時(shí)，鑄鋼節(jié)點(diǎn)須滿足如下要求：

（1）各節(jié)點(diǎn)毛坯的誤差須滿足 GB/T 6414-1999《鑄件尺寸公差與機(jī)械加工余量》中CT11級(jí)的要求；

（2）加工時(shí)，須對(duì)雨棚鑄鋼節(jié)點(diǎn)各鑄件間的內(nèi)壁和外壁進(jìn)行適度的圓滑過(guò)渡，內(nèi)外圓角的半徑須滿足CECS235-2008《鑄鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》第5.0.6的要求，減少其應(yīng)力集中現(xiàn)象；

（3）焊接時(shí)，鑄鋼節(jié)點(diǎn)各端口須在節(jié)點(diǎn)上留出焊接槽口，以便其與對(duì)應(yīng)的鋼管連接；

（4）選擇焊接材料時(shí)，應(yīng)使焊接接頭的強(qiáng)度不低于母材的強(qiáng)度。

1 鑄鋼節(jié)點(diǎn)的有限元分析

1.1節(jié)點(diǎn)建模

選取典型的兩個(gè)箱型鑄鋼節(jié)點(diǎn)GJ2和GJ6作有限元分析，兩節(jié)點(diǎn)的模型如圖2～3所示。圖2和圖3中，號(hào)碼1～5為節(jié)點(diǎn)GJ2和GJ6所對(duì)應(yīng)的端口號(hào)，其中，節(jié)點(diǎn)GJ2模型中的號(hào)碼1～3對(duì)應(yīng)其上端的3個(gè)端口，壁厚均為50 mm，截面積均為0.13 mm2，底部端口為該節(jié)點(diǎn)的埋件，該節(jié)點(diǎn)重量達(dá)3210 kg；節(jié)點(diǎn)GJ6模型中的號(hào)碼4～5對(duì)應(yīng)其上端的兩個(gè)端口，壁厚均為50 mm，截面積均為0.13 mm2，底部端口為該節(jié)點(diǎn)的埋件，該節(jié)點(diǎn)重量達(dá)2430 kg。

圖2 GJ2節(jié)點(diǎn)建模

圖3 GJ6節(jié)點(diǎn)建模

1.2材料屬性的設(shè)置及網(wǎng)格劃分

在建筑工程中，選擇用于制造節(jié)點(diǎn)的鑄鋼件材料時(shí)，須滿足力學(xué)性能和焊接性能兩個(gè)方面的要求。其鋼材應(yīng)具有屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸縮率和抗沖擊性能以及碳、磷、硫的化學(xué)成分含量的合格保證，鋼材的屈服強(qiáng)度實(shí)測(cè)值與抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)值的比值不應(yīng)大于0.85，鋼材應(yīng)有明顯的屈服臺(tái)階，且伸長(zhǎng)率不應(yīng)小于20%，應(yīng)有良好的可焊性和合格的沖擊韌性。

目前，國(guó)內(nèi)可用于鑄鋼節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)主要有CECS 235-2008《鑄鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[6]、GB/T 11352-2009《一般工程用鑄造碳鋼件》[7]和GB7659-2010《焊接結(jié)構(gòu)用鑄鋼件》[8]。而國(guó)外在鑄鋼節(jié)點(diǎn)的選材、加工、制造和施工等方面經(jīng)驗(yàn)比較豐富，并形成的詳細(xì)的規(guī)范。如德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN 17182-1985、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 3755-1991、美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)AN-SI/ASTMA-1993等，在這些規(guī)范當(dāng)中，很多建筑工程是選用德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN 17182-1985中的GS-20Mn5，該標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格控制碳、磷、硫的化學(xué)成分含量，能較好地滿足工程對(duì)鑄鋼節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能和焊接性能等方面的要求，而且歐標(biāo)低合金鑄鋼G20Mn5V也符合國(guó)內(nèi)CECS 235-2008《鑄鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》附錄表A.1.2-1和表A.1.2-2對(duì)焊接結(jié)構(gòu)用鑄鋼化學(xué)成分和力學(xué)性能的要求，因此，選雨棚鑄鋼件材質(zhì)為歐標(biāo)低合金鑄鋼G20Mn5V，其熱處理狀態(tài)為調(diào)質(zhì)。G20Mn5V的化學(xué)組成和機(jī)械性能如表1～2所示。

表1 G20Mn5V鑄鋼的化學(xué)成分含量

表2 室溫下G20Mn5V鑄鋼的機(jī)械性能

根據(jù)CECS 235-2008鑄鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程的第3.2.1和3.2.3規(guī)定，將G20Mn5V可焊鑄鋼的屈服強(qiáng)度設(shè)定為235 MPa，設(shè)定物理性能彈性模量Es為 2.06×105MPa，泊松比μ為0.3，密度ρ為7850 kg/m3。有限元前處理時(shí)，選擇Solid45為分析的實(shí)體單元時(shí)，該單元有6個(gè)面，8個(gè)結(jié)點(diǎn)，每個(gè)結(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度[9]。

節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)格劃分采用自由網(wǎng)格劃分，自由網(wǎng)格劃分不受實(shí)體模型幾何機(jī)構(gòu)限制要求，比較適合大型節(jié)點(diǎn)分析使用。GJ2節(jié)點(diǎn)和GJ6節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)格劃分如圖4～5所示。

圖4 GJ2節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格劃分

圖5 GJ6節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格劃分

1.3約束和載荷的設(shè)置

根據(jù)施工要求，雨棚鑄鋼節(jié)點(diǎn)底部為埋件，故將埋件底部橫截面設(shè)為約束。

雨棚鋼結(jié)構(gòu)受風(fēng)壓450 N/m2，雪壓350 N/m2、活動(dòng)載荷500 N/m2以及恒載荷1600 N/m2，根據(jù)雨棚空間分析結(jié)果及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)布置，分析在多種不同荷載組合對(duì)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的工況下，選取一種對(duì)節(jié)點(diǎn)最不利的工況進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出各鑄鋼節(jié)點(diǎn)在最不利工況組合下的各端口內(nèi)力，該內(nèi)力即為有限元分析中所施加給節(jié)點(diǎn)的荷載[1，10]。若將鑄鋼節(jié)點(diǎn)壽命按100年設(shè)計(jì)，驗(yàn)算鑄鋼節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度時(shí)，作用在鑄鋼節(jié)點(diǎn)上的荷載內(nèi)力值須乘一個(gè)安全系數(shù)，其值為1.1。GJ2節(jié)點(diǎn)和GJ6節(jié)點(diǎn)在不利荷載組合下，它們連接桿件的內(nèi)力和面載荷如表3所示，GJ2節(jié)點(diǎn)和GJ6節(jié)點(diǎn)約束和載荷的設(shè)置如圖6～7所示。

表3 連接桿件的內(nèi)力和面載荷

圖6 GJ2節(jié)點(diǎn)約束和載荷

圖7 GJ6節(jié)點(diǎn)約束和載荷

2.4 有限元分析結(jié)果

GJ2節(jié)點(diǎn)的von Mises應(yīng)力、1st Principal stress圖、2st Principal stress圖、3st Principal stress圖以及位移矢量和分別如圖8～12所示。

圖8 von Mises應(yīng)力圖 單位/MPa

圖9 1st Principal stress圖/MPa 單位/MPa

圖10 2st Principal stress圖 單位/MPa

圖11 3st Principal stress圖 單位/MPa

分析云圖表明，在選取的不利荷載組合作用下，GJ2節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性分布。其中，圖8顯示GJ2節(jié)點(diǎn)的埋件相貫處由于沒(méi)有用圓角過(guò)度，出現(xiàn)紅色標(biāo)記的 von Mises應(yīng)力最大值17.925 MPa，而埋件相貫部分之外的區(qū)域，隨著與其距離的增大，von Mises應(yīng)力值迅速降低。圖9～11顯示，GJ2節(jié)點(diǎn)3個(gè)方向主應(yīng)力絕對(duì)值最大為21.370 N/mm2。上述4應(yīng)力云圖顯示的應(yīng)力最大值均小于鑄鋼材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度235 N/mm2，GJ2節(jié)點(diǎn)受力處于彈性工作狀態(tài)，該具有較高安全儲(chǔ)備。由圖12位移矢量和可知，GJ2節(jié)點(diǎn)在受力過(guò)程中，GJ2節(jié)點(diǎn)位移矢量和的最大值為0.119mm，變形很小。計(jì)算表明GJ2節(jié)點(diǎn)在所選取的最不利荷載工況下設(shè)計(jì)安全。

圖12 位移矢量和 單位/m

GJ6節(jié)點(diǎn)的von Mises應(yīng)力、1st Principal stress圖、2st Principal stress圖、3st Principal stress圖以及位移矢量和分別如圖13～17所示。

GJ6節(jié)點(diǎn)與GJ2節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)不同，上端只有兩個(gè)接口，左右結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，但其應(yīng)力應(yīng)變也具有規(guī)律性。其中圖13顯示von Mises應(yīng)力最大值18.998 N/mm2出現(xiàn)在GJ6節(jié)點(diǎn)中部相貫處存在應(yīng)力集中，其他部位應(yīng)力數(shù)值較小，圖14～16顯示，GJ6節(jié)點(diǎn)3個(gè)方向主應(yīng)力絕對(duì)值最大為22.369 N/mm2。這4個(gè)應(yīng)力云圖顯示的應(yīng)力最大值均小于鑄鋼材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度235N/mm2，GJ6節(jié)點(diǎn)受力處于彈性工作狀態(tài)，未達(dá)到塑性，該節(jié)點(diǎn)具有較高安全儲(chǔ)備。由圖17位移矢量和可知，GJ6節(jié)點(diǎn)在受力過(guò)程中，GJ6節(jié)點(diǎn)位移矢量和的最大值為0.151 mm，變形很小。計(jì)算表明在所選取的不利荷載工況下，GJ6節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)安全可靠。

圖13 von Mises應(yīng)力圖 單位/MPa

圖14 第一主應(yīng)力圖 單位/MPa

圖15 第二主應(yīng)力圖 單位/MPa

圖16 第三主應(yīng)力圖 單位/MPa

圖17 位移變形圖 單位/m

2 結(jié)論

運(yùn)用有限元方法分析了在不利工況下鑄鋼節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能，分析結(jié)果表明鑄鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值很小，不僅小于鑄鋼材料的屈服強(qiáng)度，并且還有相當(dāng)多的承載富余力，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)安全可靠，能滿足雨棚空間建筑對(duì)節(jié)點(diǎn)在剛度和強(qiáng)度等方面的要求。分析中發(fā)現(xiàn)，在鑄鋼節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)相貫交叉處容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，為了進(jìn)一步提高其力學(xué)性能，可對(duì)節(jié)點(diǎn)相貫交叉處進(jìn)行倒圓弧過(guò)度。

［1］張朝，陳華周，錢煥，等．天津梅江會(huì)展中心鑄鋼節(jié)點(diǎn)有限元分析［J］．鋼結(jié)構(gòu)，2010，25（11）：19-22．

［2］羅永峰，韋艷娜，賈寶榮，等．重慶渝北體育館鑄鋼節(jié)點(diǎn)有限元分析［J］．結(jié)構(gòu)工程師，2010，26（4）：52-56．

［3］李青山，張國(guó)梁，馬寶森．鋼節(jié)點(diǎn)的發(fā)展歷程與新型節(jié)點(diǎn)的探索［J］．甘肅科技縱橫，2007，36（3）：112．

［4］許蘭蘭，趙福令．某車站雨棚鑄鋼節(jié)點(diǎn)有限元分析［J］．鋼結(jié)構(gòu)，2010，25（139）：23-24．

［5］蔡恩倍．高鐵客站無(wú)站臺(tái)柱雨棚設(shè)計(jì)中的新技術(shù)［J］．建筑設(shè)計(jì)管理，2010，27（163）：55-58．

［6］CECS 235-2008鑄鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程［S］．

［7］GB／T 11352-2009一般工程用鑄造碳鋼件［S］．

［8］GB7659-2010焊接結(jié)構(gòu)用鑄鋼件［S］．

［9］李瀟瀟．滄州體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)屋蓋鑄鋼節(jié)點(diǎn)有限元分析［J］．鋼結(jié)構(gòu)，2013，28（177）：36-38．

［10］羅堯治，余佳亮．北京北站站臺(tái)大跨度張弦桁架雨棚設(shè)計(jì)研究［J］．鋼結(jié)構(gòu)，2013，34（1）：35-42．

（責(zé)任編輯：朱聯(lián)九）

Finite Element Analysis on Cast Steel Node in the Large-span Canopy of Station

DENG Zhi-yong1,WU Long1,LIN Mei-lan2

(1.School of Mechanical and Electrical Engineering,Sanming University,Sanming 365004,China) (2.School of Foreign Languages College,Sanming University,Sanming 365004,China)

The distribution and structure of cast steel nodes in the canopy of station are introduced and material selection for steel nodes in domestic and foreign are analyzed in this paper.Based on the establishment of two typical node models,the setting of the material properties,the meshing of the models,and the setting of constraints and loads in unfavorable conditions,the nodes of canopy are analyzed by the finite element method and the stress-strain diagrams and load distribution are got.The results showed that the stress of cast node are smaller than the yield stress of material strength requirements of the canopy steel even in adverse conditions,the cast steel nodes designed are safe and reliable,so as to provide some basic references for the manufacture of steel nodes and further research.

steel nodes;finite element;station canopy;stress;strain

TU393．302

A

1673-4343（2014）04-0059-06

10．14098／j．cn35－1288／z．2014．04．011

2013-12-08

三明學(xué)院科研基金項(xiàng)目（CB201003／Q）

鄧志勇，男，福建建甌人，助教。研究方向：機(jī)械結(jié)構(gòu)與安全。