某大悬挑钢框架受力性能有限元分析.pdf

[摘要]对某工程大悬挑钢框架进行有限元分析，利用Shl181和Solid92单元分别建模，一种设置横向加劲板，另一种设置纵横向加劲和节点加腋。介绍了模型单元划分、荷载及边界条件等，描述框架在荷载作用下应力、应变及变形的发展过程，并将试验结果与有限元分析结果进行比较。在此基础上，对大悬挑钢框架的设计、工厂加工、现场吊装及施工监控提出一些建议。指出纵横向加劲肋以及节点处加腋对提高框架整体、局部稳定性有很大作用。[关键词]大悬挑钢框架；非线性有限元；模型试验；极限承载力

内容摘抄：

1工程概况
长沙滨江文化园建筑群在设计时，左区临江景观看台采用大悬挑钢框架结构形式，其组成构件不规侧，受力复杂，给工程的设计、施工及监测带来巨大困难。以本工程中一榀大悬挑钢框架（见图1a)为例，钢框架分2层悬挑，由大悬臂钢箱梁与折线形钢箱柱斜交、钢箱梁右端与钢管柱正交组成。上下2层悬挑梁悬挑长度为10m,梁自重64t,为变截面钢箱梁，最大截面尺寸800mm×2500mm×30mm;折线形钢箱柱截面1500mm×1000mm×40mm;钢管柱截面φ800×30；梁柱内设若干横、纵向加劲板，板厚20mm。实体模型如图1b所示。
2有限元模型的建立

2.1单元选取
本文采用大型有限元分析软件ANSYS进行钢框架的受力和变形性能分析。分析时采用了ANSYS提供的两种单元：一种为Shell181,另一种Solid92,分别建模，每种单元根据设置加劲肋的方式，一种设置横向加劲板，另一种设置纵横向加劲及节点加腋，共建立4个模型（见表1）。其中，弹塑性壳单元Shell181为4节点，每个节点有6个自由度，包括3个位移自由度和3个转动自由度。该单元能够考虑线性、大角度和非线性大应变特性，适合分析从薄至中等厚度的壳结构，因而能很好地
反应钢板的实际受力状态。实体单元Solid92为10节点四面体单元，每个节点有3个自由度，即3个位移自由度。一般作为使用实体单元所适合的结构，适合分析局部应力问题。
2.2材料特性及相关参数确定
构件尺寸同模型试验构件。分析时考虑了材料非线性和几何非线性。钢材所取的相关参数为：钢材Q345B,泊松比为0.2。计算时采用了试验实测的材料弹性模量和屈服强度(E=210GPa,f,=345MPa),材料本构关系由试验确定，假定为理想的弹塑性材料，服从Von-mises屈服准则，材料塑性按双线性等向强化(BIS0)考虑21。

3有限元分析
3.1有限元模型假定
在本文的模型分析中，对模型的计算进行简化，采用如下假定：不考虑焊接残余应力，不考虑焊缝对折柱极限承载力的影响以及厚板的层状撕裂。根据以上假定分析模型，获取与试验结构相对应关键点的应变、应力变化情况。
3.2计算结果分析
加载开始后，在悬挑梁顶节点外侧出现应力集中现象，首先在顶节点处率先出现塑性，随后悬挑梁十字形节点外侧也塑性屈服。随着荷载的增加，塑性区域扩大，折形柱弯曲处及柱脚处出现塑性。位移的最大位置始终位于顶部悬挑梁端部，并且随荷载的增加，表现出明显的非线性特征。设置加劲肋和节点处加腋的模型，节点等效应力趋于平均，有效地缓解了顶部“T”形和中部“十”字形节点处的应力集中（见图4），且改善了构件的局部屈曲性能。整个加载过程中，加劲板应力变化不大，且未出现屈服。
4试验分析
4.1试件设计及加载方案
构件选取音乐厅左区临江大悬挑钢框架（见图5),由于实际构件尺寸较大，实验室现有试验设备无法满足足尺试验的加载要求，因此对原结构进行了比例缩放，几何大尺寸缩尺1：8，板厚缩尺1：5。材料均采用Q345B钢材。加载设备采用油压千斤顶，逐级施加竖向力。实际结构中设置了纵、横向加劲肋，并在节点应力集中处加腋，由于试件结构较小，在宽厚比满足规范要求基础上取消了纵向加劲肋和节点加腋，只设横向加劲肋。

4.2试验数据及结果分析
从第4级荷载开始，在“T”形节点靠近梁悬挑部分一侧截面，应变片出现超过材料屈服应变(1725με)的现象，之后在“T”形节点另一侧截面观测到应变片超过材料屈服应变。模型屈服荷载如表3所示。

（略）

投稿会员：巧克力布丁