【正文】 11 22 33 44 55 66 77 88 34 99
。 176。 176。 176。 176。） a— 上翼緣 b— 腹板 c— 下翼緣 圖 Lβ μ關(guān)系曲線 Fig Lβ μ curve 根據(jù) ANSYS 有限元分析，沿連接件腹板高度增大的方向，在不同截面，提取連接件上翼緣的軸力，由受力分解的公式，求得上翼緣的分配系數(shù)，如表 所示。）20253035400 .30 .40 .50 .62468μ2Lβ（176。因此，建議支撐桿端部擴(kuò)散角不超過(guò) 30176。當(dāng)擴(kuò)散角超過(guò) 40176。由圖 和圖 可以看出，在同一截面時(shí)，隨著擴(kuò)散角β的增大，上 下翼緣分擔(dān)的支撐軸力逐漸減小，由圖 可以看出，隨著擴(kuò)散角β的增大，腹板分擔(dān)的支撐軸力逐漸增大。 擴(kuò)散角對(duì)連接件傳力的影響 對(duì)于 G1 組，當(dāng)端長(zhǎng)比η為 ，圓弧半徑 r 為 250mm 時(shí)，在支撐自由端施加受拉屈服荷載，取 倍支撐受拉屈服荷載時(shí)的受力情況，此時(shí)節(jié)點(diǎn)屬于彈性階段，通 33 過(guò)改變支撐桿端擴(kuò)散角β的大小，分析擴(kuò)散角對(duì)支撐連接件上下翼緣和腹板傳力的影響。 （α β）。、 30176。、 40176。 90176。 32 G4 0 200 30176。 70176。 176。 176。 65176。 176。 176。 60176。 90176。 35176。 176。 85176。 30176。 176。 80176。 0 200 250 300 350 25176。 70176。 176。 176。 65176。 176。 176。 60176。 90176。 40176。 176。 85176。 35176。 176。 80176。 30176。 176。 75176。 25176。 176。 70176。 續(xù)表 組編號(hào) 端長(zhǎng)比 圓弧半徑（ mm） 擴(kuò)散夾角 翼緣與柱夾角 翼緣與梁夾角 G2 0 200 250 300 350 20176。 80176。 176。 176。 75176。 176。 176。 70176。 176。 176。 65176。 176。 176。 60176。 90176。 40176。 176。 85176。 35176。 176。 80176。 30176。 176。 75176。 25176。 176。 70176。 G2 0 200 250 300 350 20176。 85176。 176。 176。 80176。 176。 176。 75176。 176。 176。 70176。 176。 176。 65176。 85176。 30 40176。 176。 80176。 35176。 176。 75176。 30176。 176。 70176。 25176。 176。 65176。 0 200 250 300 350 20176。 85176。 176。 176。 80176。 176。 176。 75176。 176。 176。 70176。 176。 176。 65176。因此，支撐端長(zhǎng)比η取 ～ 。當(dāng)支撐與柱軸線的夾角為 45176。 （α β），β取較大值）； 在圖 中，定義支撐桿的端長(zhǎng)比η =L1/(L1+L2)?；颚?2≥ 60176。因此，連接件翼緣與梁柱翼緣的夾角不宜小于 60176。（當(dāng)兩焊腳邊夾角小于 60176。為使支 撐桿端傳力均勻，設(shè)置相同的擴(kuò)散角β，取 15176。 (G3)、 30176。（ G1）、 40176?！?45176。 （ a）整體劃分網(wǎng)格 （ b）局部細(xì)化網(wǎng)格 圖 網(wǎng)格劃分 Fig Meshing 參數(shù)選取及模型尺寸 支撐與梁柱連接節(jié)點(diǎn)受力比較復(fù)雜，為了分析支撐連接件的受力狀態(tài)及內(nèi)力傳遞規(guī)律，主要考慮支撐與柱夾角、支撐桿的端長(zhǎng)比、支撐桿端圓弧半徑、支撐桿端擴(kuò)散 29 角對(duì)支撐連接件傳力的影響。由于連接件腹板的形狀不規(guī)則，為了獲得規(guī)則的四邊形單元，采用連接線命令實(shí)現(xiàn)映射網(wǎng)格劃分，劃分出規(guī)則的四邊形單元，并在連接件腹板和翼緣處細(xì)化網(wǎng)格，使計(jì)算更準(zhǔn)確、精度更高。網(wǎng)格劃分的越 密，模擬分析所得到的結(jié)果越精確，但是，計(jì)算機(jī)計(jì)算需要的時(shí)間和所需要的計(jì)算機(jī)資源也會(huì)增加。對(duì)于面來(lái)說(shuō)，采用自由網(wǎng)格劃分方法，可以劃分出全部為四邊形單元的網(wǎng)格或全部為三角形單元的網(wǎng)格或者二者的混合單元的網(wǎng)格；采用映射網(wǎng)格劃分方法，則只能劃分出全部用四邊形單元網(wǎng)格或全部用三角形單元的網(wǎng)格。 2 點(diǎn)定義為固定端， 3 點(diǎn)僅控制平面外的約束，沿支撐斜桿軸心方向，在 3 點(diǎn)施加軸力。簡(jiǎn)化力學(xué)模型如圖 所示。 f=12520mm2179。 EE tεσ0 ε yf yα 1α 2 圖 ε σ關(guān)系曲線 Fig ε σ curve 簡(jiǎn)化力學(xué)模型 支撐的長(zhǎng)度取斜長(zhǎng)的一半；根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和手冊(cè)的要求，支撐兩端按鉸接計(jì)算，構(gòu)造上為剛接。 105MPa。 圖 SHELL181 單元模型 Fig Model of SHELL181 element 材料特性 節(jié)點(diǎn)材料 為 Q345 號(hào)碳素結(jié)構(gòu)鋼，材料的力學(xué)性能指標(biāo) 如 表 所示 。結(jié)合支撐節(jié)點(diǎn)各板件的特點(diǎn)，選擇 SHELL181 殼單元，單元模 型如圖 所示。 上述各式中， h 為板殼厚度， L 為平板內(nèi)特征尺度， R 為殼體中面的曲率半徑。 板類(lèi)結(jié)構(gòu)一般按其平板面內(nèi)特征尺寸與厚度之比加以劃分： 當(dāng) ? ?8~5?hL 時(shí)為厚板，其力學(xué)行為與 3D 實(shí)體相同，應(yīng)采用實(shí)體單元； 當(dāng) ? ? ? ?100~808~5 ?? hL 時(shí)為薄板，可選擇 2D 實(shí)體單元或殼單元； 當(dāng) ? ?100~80?hL 時(shí)為薄膜，可采用薄膜單元。板殼結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于各個(gè)工程領(lǐng)域，對(duì)于板殼類(lèi)結(jié)構(gòu)，一個(gè)方向的厚度遠(yuǎn)小于其他方向的尺寸，并且可以忽略沿厚度方向應(yīng)力的結(jié)構(gòu)，可采用殼單元模擬。 20 26 ANSYS 有限元模型的建立 單元類(lèi)型 ANSYS 中大多數(shù)單元為結(jié)構(gòu)單元，根據(jù)分析的目的選擇不同的單元類(lèi)型。 250179。 10179。 25 梁 H 550179。此節(jié)點(diǎn) 采用的材料是 Q345 鋼，支撐與梁柱 節(jié)點(diǎn)的施工圖如圖 3. 1 所示，構(gòu)件截面如表 所示。 便于連接構(gòu)造， 一般 支撐端部連接件的腹板高度放大，而此連接件腹板高度放大后，對(duì)支撐與梁柱的節(jié)點(diǎn)及支撐內(nèi)力的傳遞是否有影響，應(yīng)該怎樣設(shè)計(jì)連接件使支撐內(nèi)力傳遞更均勻、合理。 在高層中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)中，支撐與梁柱的連接常采用支托式連接形式， 支撐一般 采用Ｈ 型 鋼制作，構(gòu)造上兩端 應(yīng) 剛接 ，在與 梁柱翼緣的連接處， 分別 設(shè)置加勁肋或隔板。 25 第三章 支撐節(jié)點(diǎn)連接件的受力性能分析及設(shè)計(jì)方法研究 概述 中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)具有雙重抗側(cè)力等優(yōu)點(diǎn)使其在高層鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用比較廣泛。在設(shè)計(jì)支撐節(jié)點(diǎn)時(shí)，首先遵循支撐節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的幾項(xiàng)基本原則， 確定合理的支撐節(jié)點(diǎn)連接形式，再選擇簡(jiǎn)化可靠的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算分析，最后對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析計(jì)算，確定節(jié)點(diǎn)的細(xì)部構(gòu)造。 F 4F 3F 2FU0真實(shí)響應(yīng)計(jì)算響應(yīng)F 1FFUF m+ 1FF m計(jì)算響應(yīng)真實(shí)響應(yīng)0FUF mFF m+ 1計(jì)算響應(yīng)真實(shí)響應(yīng)0 （ a）增量法 （ b） NR 法 （ c）改 進(jìn)的 NR 法 圖 求解方法 Solving methods 本文對(duì) 支撐 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行非線性分析求解時(shí)， 在不影響計(jì)算準(zhǔn)確性的情況下， 為了加快計(jì)算速度 和 節(jié)約資源，采用牛頓－拉普森 (NewtonRaphson)平衡迭代。由于弧長(zhǎng)法通過(guò)在球面弧獲得平衡狀態(tài)，通常較難在某個(gè)固定的荷載處獲得一個(gè)解，但通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的 NR 方法確定此解可能更方便。計(jì)算速度比較快，可能會(huì)收斂失敗，該法不適用于大變形分析。如果自適應(yīng)下降打開(kāi)，只要迭代殘項(xiàng)減少且無(wú)負(fù)主元出現(xiàn)，平衡迭代僅采用切線剛度矩陣；一旦出現(xiàn)負(fù)主元或不收斂，程序?qū)⒉捎们芯€剛度和正割剛度矩陣加權(quán)組合重新求解，再次達(dá)到收斂后，又采用切線剛度矩陣求解。 （ 2）牛頓－拉普森（ NR）方法，這種方法每進(jìn)行一次平衡迭代就修改一次剛度矩陣， 如圖 （ b） 所示 。 非線性方程組的求解 ANSYS 進(jìn)行非線性分析提供如下幾種求解方法 [64]： （ 1） 增量法是將載荷分成一系列的載荷 增量 ， 如圖 （ a） 所示。等向強(qiáng)化適用于大應(yīng)變、單調(diào)加載情況，不適用于循 環(huán)加載的情況，分為雙線性等向強(qiáng)化、多線性等向強(qiáng)化及非線性等向強(qiáng)化；隨動(dòng)強(qiáng)化適用于小應(yīng)變、循環(huán)加載的情況，同樣分為雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化、多線性隨動(dòng)強(qiáng)化及非線性隨動(dòng)強(qiáng)化；混合強(qiáng)化同時(shí)考慮了等向強(qiáng)化和隨動(dòng)強(qiáng)化，適用于大應(yīng)變和循環(huán)加載的情況。 對(duì)于理想的彈塑性材料，因無(wú)應(yīng)力強(qiáng)化效應(yīng)，其后繼屈服面和初始屈服面相同。 3．強(qiáng)化法則 在單向應(yīng)力狀態(tài)下，鋼材的應(yīng)力應(yīng)變曲線包括彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段和破壞階段等，在強(qiáng)化階段卸載后再次加載，鋼材的屈服應(yīng)力會(huì)提高。流動(dòng)法則包括關(guān)聯(lián)型流動(dòng)法則和非關(guān)聯(lián)型流動(dòng)法則，流動(dòng)方程是塑性應(yīng)變?cè)诖怪庇谇娣较虬l(fā)展的屈服準(zhǔn)則中推導(dǎo)出的，當(dāng)塑性流動(dòng)方向與屈服面的外法線方向相同時(shí)稱(chēng)為關(guān)聯(lián)型流動(dòng)準(zhǔn)則，反之當(dāng)塑性流動(dòng)方向與屈服面外法線方向不同時(shí)則為非關(guān)聯(lián)型流動(dòng)準(zhǔn) 則。、為主應(yīng)力；、 xzyzxyyx321 ????????? z 本文采用 Von Mises 屈服準(zhǔn)則進(jìn)行有限元分析。對(duì)于鋼材而言，采用 Von Mises 屈服準(zhǔn)則更接近實(shí)際結(jié)果。 Von Mises 屈服準(zhǔn)則是Von Mises 提出的一種等效應(yīng)力，考慮了中間主應(yīng)力對(duì)屈服強(qiáng)度的影響，用于各項(xiàng)同性材料。 ANSYS 軟件具有強(qiáng)大的建模、求解、非線性分析和后處理等能力，功能十分強(qiáng)大，使用方便，能較好地對(duì)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)進(jìn)行仿真分析，既經(jīng)濟(jì)又節(jié)省時(shí)間。 ANSYS 是由美國(guó)著名理學(xué)專(zhuān)家、美國(guó) Jone Swanson 博士團(tuán)隊(duì)于二十世紀(jì) 70 年代開(kāi)發(fā)的 大型通用有限元分析軟件，廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)、流體、聲場(chǎng)、電磁場(chǎng)和熱場(chǎng)分析和科學(xué)研究 [62]。該技術(shù)與工程分析相結(jié)合形成的新技術(shù)，隨著有限元理論的應(yīng)用和計(jì)算機(jī)的發(fā)展，工程師利用該技術(shù)和軟件對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行分析，得到良好的效果。 在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，常采用簡(jiǎn)化計(jì)算的方法 [60]，支撐軸線與梁柱的軸線匯交于一點(diǎn)，忽略偏心產(chǎn)生的附加彎矩對(duì)此節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的影響，在支撐連接件與梁柱連接處，簡(jiǎn)化計(jì)算將支撐內(nèi)力分解為水平分力和豎向分力，分別作用于梁柱上，如圖 所示。由于支撐節(jié)點(diǎn)板與梁柱連接處的受力比較復(fù)雜，很難確定一種完全精確的計(jì)算方法，可通過(guò)大量的數(shù)值分析及試驗(yàn)分析，但是，這樣又比較浪費(fèi)，這幾種計(jì)算方法都是近似計(jì)算方法。 hbhc 圖 等代梁法 Fig Displacement beam method 根據(jù)實(shí)例進(jìn)行計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，采用常用的簡(jiǎn)化計(jì)算方法所得的計(jì)算結(jié)果往往偏大，雖然在一定的程度上，這種計(jì)算方法是偏于安全，但是，造成一定的浪 費(fèi)，不太符合節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的基本原則。柱和節(jié)點(diǎn)板連接處垂直—cV hbhc 圖 簡(jiǎn)單正交分解法 Fig Proper orthogonal deposition method （ 4）等代梁法（如圖 所示） 21 由于節(jié)點(diǎn)板缺少△ 部分，可以假設(shè)節(jié)點(diǎn)板為一根梁，兩端分別連接在梁和柱上，由于節(jié)點(diǎn)板和梁柱的連接一般為焊接或高強(qiáng)度螺栓連接，可以考慮其連接承受附加彎矩的作用。柱和節(jié)點(diǎn)板連接處垂直—cV hbhc 圖 均力法 Fig Uniform force method （ 3） 簡(jiǎn)化的正交分解法（如圖 所示） 假定忽略節(jié)點(diǎn)板連接處偏心產(chǎn)生的附加彎矩，忽略支撐軸力對(duì)梁的豎向分力和對(duì)柱的水平分力。 3)節(jié)點(diǎn)板與梁柱的連接處被設(shè)計(jì)成僅承受剪力和軸力。 （ 2） 均力法（如圖 所示） 基本假設(shè)： 1)支撐的重心線與梁柱重心線三者匯交于一點(diǎn) 。 圖 有效寬度概念 Fig the concept of effective width ftbNe ??? （ ） 上式中： N — 支撐的軸心力設(shè)計(jì)值； eb — 板件的有效寬度，應(yīng)力擴(kuò)散角取 30176。be30176。 19 30176。 hbhchbm hbhchbm （ a） 支撐強(qiáng)軸在平面內(nèi) （ b） 支撐弱軸在平面內(nèi) 圖 支托式連接節(jié)點(diǎn) Fig Bracket connecting joint 中心支撐節(jié)點(diǎn)的內(nèi)力計(jì)算方法 節(jié)點(diǎn)板式連接節(jié)點(diǎn)的計(jì)算方法 節(jié)點(diǎn)板連接節(jié)點(diǎn)的計(jì)算，目前國(guó)內(nèi)常采用的計(jì)算方法有：有效寬度法 [58]、均力法[59,60]