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[铸造] 蚌埠体育中心体育场伞状铸钢支撑节点有限元分析

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    [LV.7]常住居民III

    发表于 2020-7-13 09:54:06 | 显示全部楼层 |阅读模式

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    蚌埠体育中心体育场伞状铸钢支撑节点有限元分析



    铸钢节点在钢结构工程(特别是诸如大型体育场馆、机 场航站楼、大型铁路站房以及展览馆、歌剧院等大跨空间结构) 中的应用较为广泛;铸钢节点最大程度避免了多杆交汇焊接 与倒角造成的残余应力;节点整体浇筑成型,刚度大且整体 性好,抗疲劳以及抗震性能优异;具有良好的加工性和适应性, 可根据建筑需要加工岀复杂多样的造型。在国外已有较多的 实际工程案例釆用铸钢节点,国内应用也得到快速发展,如 国家体育场、浦东国际机场二期、重庆江北机场、曲靖体育场、 武汉天河机场T3航站楼、深圳大运会游泳馆等。
    由于铸钢节点形状不规则、造型不统一且受力复杂多样, 因此现阶段没有相关通用性复杂铸钢节点的设计方法和标准。 多数针对复杂大型铸钢节点釆用试验测试或有限元分析等方 法来获取必要的设计参数、应力分布及承载性能。
    蚌埠市体育中心体育场钢罩棚支撑均釆用伞状复杂铸钢 节点,底部节点支撑柱为复杂钢骨混凝土柱,本文結合该工 程实际应用,对该复杂铸钢支撑节点及钢骨混凝土支撑柱进 行有限元分析,给出了其在该工程中应用的可靠性与安全 性的分析依据,过程分析方法可为相关项目工程设计提供 参考。
    蚌埠市体育中心体育场为安徽省第十四届省运会的主场 馆,位于蚌埠市南侧的蚌山区。体育场平面形状呈椭圆形, 长轴径长为258m,建筑面积为41400m单体总用钢量为 12076体育场结构主要由下部混凝土看台和上部屋面钢结 构屋盖两部分组成,其中,钢结构屋盖分为东、西两部分, 整体呈蛟龙形态,龙头建筑总高度55m,龙尾建筑总高度约 10m,下部看台划分为东、西、南、北4个区域看台,东西看台由池座看台和楼座组成,南北看台由池座看台组成。整体二层外围设置环形高架平台,用于整个体育场观众的水平交 通和疏散。
    体育场钢结构屋盖体系釆用变截面径向钢梁-三向多点 圆管支撑的结构形式,主要由变截面径向钢梁、环向联系杆、 水平支撑和斜向支撑组成。径向钢主梁通过下部伞状铸钢支 撑节点与看台外侧钢骨混凝土组合柱连接在一起,钢罩棚最 大悬挑长度为27 m。
    2b2cd1c5163f480cc967352e24a041b.jpg SNV38186.jpg
    2节点设计
    连接节点是保证钢结构安全可靠的关键部位,且对结构 整体稳定性及受力性能有较大影响。合理的节点设计不仅可 以确保结构整体的安全性,而且可以减小工厂加工制作及现 场施工难度,进一步降低工程造价。因此,节点设计在结构 整体设计中占据举足轻重的地位。现行钢结构设计规范及相 关规程对于较为规则的钢结构节点有较为成熟的设计方案和 计算公式,但是对于造型奇特、复杂且不规则的钢结构节点, 未有相应的设计方法和计算公式。
    目前,针对特殊钢结构节点主要依靠试验测试或有限元 模拟来指导设计。试验测试方法最为准确可靠,但其受制于 多方面,如工程工期较紧,实验室试验机需排队;试件加工 及试验测试费用较高;需委托高校或研究所等第三方研究机 构,时间上无法自主把控等。
    有限元模拟可以有效避免试验测试带来的一系列问题, 但是其也存在精准度质疑等问题。随着有限元软件及模拟技 术的不断完善,精准度越来越高。本文有限元模拟分析节点 设计判断准则是釆用全过程分析法,将铸钢节点作为一个“微 型整体”,通过整体结构计算分析获取节点各分支单元所受的 包络外力或节点最不利受力组合,根据节点“微型整体”在 整体结构中的受力情况,确定节点的约束边界条件,分析考 虑材料和几何双重非线性,根据计算结果得到节点荷载-位 移曲线,基于节点区域塑性分布及其发展趋势来作为判断节 点是否失效的依据。
    蚌埠体育中心体育场上部钢结构屋盖由变截面径向钢梁、 环向联系杆、水平支撑和斜向支撑等组成。径向钢主梁通过 下部伞状铸钢支撑节点与看台外侧钢骨混凝土组合柱连接在 一起,钢罩棚最大悬挑长度为27m。主受力径向钢梁釆用变 截面弧形H型钢,环向联系杆、水平支撑及斜向支撑均釆用 大截面圆钢管。由于钢结构屋盖悬挑跨度大,结构形状曲率 大且不规则,因此径向主钢梁上下支撑节点部位受力大且复 杂,釆用传统焊接节点已无法满足设计、加工制作及安装施 工要求。
    通过整体分析杆件在支撑节点处的受力及相互作用关系, 应用伞状节点如图1所示,将上部钢屋盖结构与下部支撑钢骨 混凝土柱连接在一起,完全承担上部钢屋盖结构传递下来的 所有复杂组合力及弯矩。伞状支撑和下部支撑柱的连接节点 内力较大、受力复杂、交汇角度小、焊接施工难度大,节点 区域承受组合力,为保证结构的安全性、方便施工并兼顾建 筑美观要求,伞状支撑和支撑柱最终釆用铸钢节点形式。最 终基于有限元计算分析结果,确定伞状铸钢节点的几何尺寸、 材料属性和倒角半径等设计参数,进一步确定型钢柱内的型 钢、加劲肋、钢筋及混凝土等部件的设计参数。


    3有限元模型
    3.1有限元模型建立
    蚌埠体育中心中柱顶伞状铸钢支撑节点为空间四肢交汇 管节点,每个肢管均为变截面构件,交汇处复杂且不规则,节 点下部为钢骨混凝土结构。为确保有限元模型节点与实际工 程节点几何尺寸完全一致,首先釆用SolidWorks造型软件进 行有限元实体建模,然后导入通用有限元分析软件ABAQUS 中进行非线性弹塑性分析。
    钢混组合铸钢节点材料模型中,钢材釆用三折线模型,可 模拟多线性随动强化模型,基于Von Mises屈服准则和相应流 动法则,弹性模量为200kN/mm\泊松比为0.3。节点构件及 其加劲肋设定为345MPa,铸钢底部钢板设定为420MPa,钢 筋设定为360MPa,铸钢设定为300MPa =模型中混凝土釆用 ABAQUS软件自带塑性损伤模型,该模型可以较好地模拟混 凝土塑性损伤性能及刚度退化,混凝土强度釆用C50。
    由于钢材和混凝土受力状态复杂,且局部存在应力集中 现象,因此钢及混凝土均釆用四节点线性四面体单元(C3D4), 钢筋釆用两节点三维桁架单元(T3D2),计算过程中,开启几何非线性。
    3.2接触及边界条件
    有限元模型中,钢材和混凝土釆用面对面接触设置方 式,其中截面法向定义为“硬”接触,接触面之间的压力可 以在界面间自由传递,切向方向设置罚函数,定义摩擦系数 为0.4 ;混凝土中的钢板、钢筋与混凝土间釆用内嵌埋入方式 (embedded),有效确保内嵌钢板、混凝土和钢筋协调变形。
    钢结构部分应力较大区域位于在圆钢管支撑1下端对应的 柱顶加劲肋处,主要是由于该部位上部钢板在拉力作用下与 混凝土分开,上部铸钢节点整体弯矩及组合力产生的拉力完 全由该部位的钢结构承受,因此使得该部位应力稍大;上部 铸钢节点的应力较大区域集中在圆钢管支撑2的下部,主要是 由圆钢管支撑2所承受整体结构传递下来的弯矩和轴力引起 的,该节点应力较大区域为压应力。上部铸钢节点较大应力 区仅表面应力较大,内部应力较小,此处表现为典型的应力 集中现象,应力扩散趋势为沿着铸钢节点外表面扩散,逐步 缓慢沿着厚度方向向铸钢节点内部渗透。
    根据CECS 235b : 2008《铸钢节点应用技术规程》4.24条 的规定,在设计荷载值作用下,节点应力应釆用有限元法按 弹性计算,其强度应满足下列规定:
    c_副本_副本.png f18f401c587e780703c64b1f2f13632_副本.jpg

    式中:折算应力的强度设计值增大系数,当计算点各主 应力全部为压力时,腐=1.2;当计算各点各主应力全部为拉力 时,斤1.0,且最大主应力应满足,其他情况时,爵=1.1。
    铸钢件最大Mises应力为242.3MPa,且该处的最大主应 力为压力,即该计算点各主应力均为压力,廁取值1.2。Mises 应力限值为 282 MPa N 242.3 MPa。
    铸钢节点的弹性分析结果满足规范CECS 235:2008《铸钢 节点应用技术规程》的强度要求。
    由应力云图可知,伞状铸钢节点整体均未出现塑性应力 区,表明该节点在最不利工况荷载作用下,节点钢结构部分 均处于弹性阶段未进入塑性,不会发生塑性破坏,节点设计 是安全的。
    应力最大区域位于中间偏上部位,其中仅有很小一部分 区域混凝土抗拉强度超过混凝土标准值,该部位主拉应力最 大值为3.18MPa,主要是由于钢骨混凝土柱承受上部铸钢节点 传递下来的较大弯矩引起的,为控制该部位混凝土不会因拉 应力超标而产生裂缝,需要对其釆取适当的构造措施(加密 箍筋间距,设置钢筋网片等)。从整体来看,除小部分区域外, 其他大部分区域混凝土的抗拉强度均小于混凝土抗拉强度标 准值,表明钢骨混凝土柱的混凝土部分局部进行必要措施后, 其设计可满足要求。
    完钢骨混凝土柱模型中,钢筋釆用HRB400级钢筋,其 抗拉强度为360MPa。由钢筋应力云图可知,由于钢骨混凝 土柱承受较大弯矩和轴力作用,在钢骨混凝土柱上部中间区 域应力较大,与混凝土应力较大区域吻合,钢筋最大拉应力 为176.3MPa <360MPa,远小于钢筋抗拉强度设计值。除 了钢骨混凝土柱局部钢筋应力稍大之外,其余区域应力均较 小,满足GB 50010-2010 «混凝土结构设计规范》的强度 要求。
    由伞状铸钢节点的位移云图可知,节点核心区域位移值 相对较小,节点整体最大位移为9.09mm <2 500/125=20mm(按 悬臂梁计算),其中2500mm为铸钢节点2号钢管混凝土支撑 悬臂段的长度,位移满足规范要求。
    4.2铸钢节点承载力分析
    铸钢节点为上部钢屋盖与下部支撑柱中间的连接单元,其 承载性能直接关系到结构整体的安全性能。为更加准确确定 铸钢节点部位的应力分布规律及其承载性能,单独建立伞状 柱顶铸钢节点有限元模型,建模思路和方法与整体节点模型 相同,铸钢节点底部釆用固结方式,约束铸钢件底部节点的3 个平动自由度。
    基于结构整体内力计算结果,确定铸钢节点各支撑杆件 设计荷载后,分别在铸钢节点各支撑杆施加不同倍数设计荷 载,荷载倍数分别取:1.24, 2.29, 2.78,2.97,3.04, 3.08»
    通过铸钢节点在不同倍数荷载作用下的应力云图,可以 看出:铸钢节点塑性区域主要集中在肢管支撑杆交汇区,该 部位是铸钢节点的薄弱部位,可釆取适当构造措施予以加强。 随着荷载倍数的增加,塑性区域围绕肢管支撑杆相贯部位逐 渐增大。
    从上述铸钢节点在不同倍数荷载作用下的应力云图发展 过程中可以看出:肢管4支撑杆底部首先进入塑性,且随着 荷载的增大塑性区域发展较快,且面积最大,因此肢管4支撑 杆在整个铸钢节点中为最不利杆件。选取肢管4支撑杆为典型 杆件,通过计算得到其位移-荷载倍数曲线,曲线横坐标为 铸钢节点的竖向位移,纵坐标表示所施加荷载除以设计荷载, 如图3所示。
    根据CECS 235 : 2008《铸钢节点应用技术规程》4.39条
    的规定:釆用弹塑性有限元分析方法确定铸钢件节点的承载 力设计值时,承载力设计值不应大于极限承载力的1/3,即极 限承载力应大约3倍承载力设计值。从图4中的位移-荷载倍 数曲线中,可以看出,铸钢节点最不利杆件极限承载力为承 载力设计值的3.22倍,满足规程要求。
    4.3裂缝宽度校核
    由于混凝土裂缝宽度部分超过抗拉强度标准值,导致部 分混凝土开裂。现釆用GB 50010-2010《混凝土结构设计规 范》中7.1.2条验算裂缝宽度,计算釆用的是荷载的基本组合, 规范要求釆用荷载的准永久组合,故计算结果偏于安全。
    计算得出最大裂缝宽度小于0.2mm,满足规范要求。
    3_副本.jpg SNV38185_副本_副本.png
    5结论
    通过对伞状复杂铸钢节点进行最不利荷载组合分析 可知:上部伞状铸钢节点及下部钢骨柱钢骨最大应力均小于 钢材屈服强度值,所有钢结构部分基本均处于弹性状态,满 足正常使用极限状态受力要求和结构设计安全要求。下部钢 骨柱混凝土除极小部分区域外,其他大部分区域混凝土的抗 拉强度均小于混凝土抗拉强度标准值,可对局部应力超限部 位进行必要的加强措施后,混凝土部分满足设计要求。钢筋 最大拉应力为176.3MPa远小于钢筋抗拉强度设计值360MPa, 满足设计要求。基于伞状铸钢节点各分部件的应力分析,表 明该伞状铸钢节点在最不利荷载组合作用下整体满足规范要 求,节点设计是安全的。
    对上部铸钢节点进行弹塑性极限承载力分析可知,铸 钢节点最不利肢管支撑杆极限承载力为荷载设计值的3.22倍, 表明该铸钢节点满足CECS235:2008《铸钢节点应用技术规程》 要求,用于蚌埠体育中心大悬挑钢屋盖结构中是安全的。
    本工程伞状铸钢节点形状不规则、构造复杂、体型 大且施工难度高等特点,基于有限元分析对节点进行设计验 算,为以后相似复杂工程节点设计提供参考。
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    [LV.7]常住居民III

    发表于 2020-7-17 16:40:19 | 显示全部楼层
    节点的设计还要考虑铸造补缩方面的原理。
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    [LV.Master]伴坛终老

    发表于 2020-7-17 22:01:03 | 显示全部楼层
    fbi-2008 发表于 2020-7-17 16:40
    节点的设计还要考虑铸造补缩方面的原理。

    要求应该相当严的吧,何止考虑补缩,还要改做探伤检测~
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    发表于 2020-7-17 22:38:13 | 显示全部楼层
    老翻砂匠 发表于 2020-7-17 22:01
    要求应该相当严的吧,何止考虑补缩,还要改做探伤检测~

    有的只是建筑设计的,中间一个大洞,上下补缩通道不畅的,我见过了
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