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1、结构笔记张超http:/www.s- 结构博客徐珂http:/1. 1. 1. 1. 绪论1.1. 项目研究内容绪论1.1. 项目研究内容采用有限元法对桁架柱脚节点细部和桁架-环梁节点细部进行了以下计算分析：a)柱脚节点、桁架-环梁节点细部强度分析b)柱脚节点、桁架-环梁节点细部变形演算c)柱脚底板与混凝土表面接触分析报告对有限元分析的边界条件、单元选择、网格细化、模型简化、输入数据、计算的应力和变形结果、用到的符号、单位、坐标系、参考文献、材料特性、软件及版本都进行了详细的说明。1.2. 报告中使用的单位1.2. 报告中使用的单位表 1 报告中使用的单位名称单位弹性模量MPa泊松比-长度/位
2、移mm质量T密度T/mm3重力加速度(9800 mm/s2)mm/s2 1.3. 报告中使用的坐标系1.3. 报告中使用的坐标系本报告中使用的坐标系为整体直角坐标系，如图 1 所示：筑龙网结构笔记张超http:/www.s- 结构博客徐珂http:/图 1 模型整体坐标系 1.4. 材料参数1.4. 材料参数表 2 节点的材料参数材料名称Q420/(N/mm2)360筑龙网结构笔记张超http:/www.s- 结构博客徐珂http:/t/( N/mm2)420/( N/mm2)2.060E5m 0.3密度 （T/mm3）7.85E-92. 2. 2. 2. 节点连接强度分析2.1. 节点细部几
3、何模型节点连接强度分析2.1. 节点细部几何模型柱脚节点、桁架-环梁节点与周围构件组成一个完整的结构体系，这些部位力学响应较为复杂，对结构整体稳定性和刚度有较大的影响。建立节点三维几何模型，采用细部有限元法分析这些节点的连接强度是非常必要的。在进行节点细部连接分析时，根据计算目的，几何模型采用 Autocad2006 建立， 如图 2-1 和图 2-3 所示。 柱脚节点所包含的部件主要是柱脚底板、 柱脚靴板、 箱梁加劲板，柱脚锚栓（包含螺帽） ，除锚栓和下部混凝土以外，其他部件几何均为一体，用以模拟板件之间的焊缝连接。桁架-环梁节点主要包括环梁、竖向腹杆、下斜腹杆、水平弦杆，所有部件均作为一体
4、。筑龙网结构笔记张超http:/www.s- 结构博客徐珂http:/图 2-1 柱脚节点整体几何模型筑龙网结构笔记张超http:/www.s- 结构博客徐珂http:/图 2-2 柱脚节点的锚栓几何模型图 2-3 桁架-环梁节点整体几何模型 2.2. 节点细部分析的有限元模型2.2. 节点细部分析的有限元模型网格划分采用 ANSA13.0.2 版本，划分网格时，节点基本单元尺寸设置为 4060mm，锚栓与底板接触部位网格尺寸为 20mm。表 2-1 是柱脚节点网格单元数目以及网格质量筑龙网结构笔记张超http:/www.s- 结构博客徐珂http:/统计表；有限元求解采用 ABAQUS6.9
5、-1 版本，其有限元网格模型如图 2-3 所示。鉴于本次网格划分质量较高，计算中采用的单元类型设置为 C3D8I（非协调元） ，在位移插值函数中增加无内部节点的附加自由度，在单元内部产生作用。对于板件类结构，采用较少层数的单元即可达到较高的分析精度， 能有效避免单层缩减积分单元抵抗弯曲变形时的“零能模式” 。模型求解过程考虑大位移效应（几何非线性） ，采用 UL（Updated Lagrange）格式进行迭代，控制流程如下式所示( )( )() (0,1,2,.)ttlttttl tLtNLttKKuQFl+ +=上式左端两刚度矩阵项分别由线性应变、非线性应变的转换矩阵和 Cauchy 应力向
6、量的乘积在单元域内积分， 然后集成而成的。 右端第二项系统内力向量由线性应变转换矩阵和 Cauchy 应力矩阵的乘积在单元域内积分，然后集成而成的。式中各项左下标时间变量代表该张量的参考构型。表 2-1 柱脚节点细部有限元模型的网格组成有限元单元的体单元组成 类型数目占单元总数百分比（%） 单元总数90819100六面体（8 节点）8770596.57 五面体（6 节点）31143.43网格质量检查结果 质量检查参数分布范围占单元总数百分比（%） Aspect Ratio (体单元边长比)16（好）10068（较好）0Solid Jacobian （雅可比）0.61.0 （较好）93.3755
7、4Internal angle （内部角度）20120（四面体） 30120（五面体） 30150（六面体）99.86筑龙网结构笔记张超http:/www.s- 结构博客徐珂http:/图 2-4 柱脚节点细部整体有限元网格模型图 2-5 内部加劲板网格模型筑龙网结构笔记张超http:/www.s- 结构博客徐珂http:/图 2-6 圆弧过渡处网格模型图 2-7 桁架-环梁节点细部整体有限元网格模型2.3. 材料特性2.3. 材料特性见 1.4 节。2.4. 坐标系设置2.4. 坐标系设置坐标系的设置方法同 1.3 节所述。2.5. 边界条件2.5.1.整体梁系模型节点端部位移的施加2.5.
8、 边界条件2.5.1.整体梁系模型节点端部位移的施加在节点细部分析模型中， 施加的载荷主要是与该节点相关的端部位移向量， 在每个筑龙网结构笔记张超http:/www.s- 结构博客徐珂http:/中心控制点与节点关联构件端面建立 MPC 传递该位移向量，如图 2-8 和 2-9 所示图 2-8 柱脚节点端面位移向量施加模型筑龙网结构笔记张超http:/www.s- 结构博客徐珂http:/图 2-9 桁架-环梁节点端面位移向量施加模型2.5.2.节点细部重力的施加2.5.2.节点细部重力的施加采用体积力（Gravity）的方式，在同一静力分析步中施加该节点细部的重力等效节点载荷。2.6. 节点
9、细部接触对的设置2.6. 节点细部接触对的设置分析底板与混凝土梁的接触状态， 须对底板下表面与混凝土梁上表面的连接采用接触对算法模拟； 锚栓与周围混凝土孔侧面的粘结状态采用 tie 算法模拟； 为改善模型的收敛性，锚栓螺母与底板采用 tie 算法模拟。底板下表面接触对的摩擦系数设置为 0.35。具体约束如图 2-10 所示。筑龙网结构笔记张超http:/www.s- 结构博客徐珂http:/图 2-10 设置接触关系后的有限元模型 2.7. 计算结果2.7.1.节点细部强度计算结果2.7. 计算结果2.7.1.节点细部强度计算结果筑龙网结构笔记张超http:/www.s- 结构博客徐珂http
10、:/图 2-11 柱脚节点细部 Mises 应力云图（单位：N/mm2）Mises 应力是描述钢材在三维应力状态下的等效标量，可以标定钢材初始屈服和屈服面的移动（硬化） ，具体格式如下式所示：1123vonij ijijijmijmiiiis ss =其中上式通过爱因斯坦求和约定能够展开成具体的表达式， 引入张量形式可以缩减表达式长度，便于推导。图 2-11 显示柱脚节点最大 Mises 应力为 317.1N/mm2， 未超过 Q420 钢材的最小屈服应力 360N/mm2，同时小于 Q420 材料的强度设计值 325 N/mm2。出现在下斜箱梁与柱脚底板的圆角特征边缘，该特征有效降低了应力集
11、中效应，有利于增强该区域的疲劳强度。筑龙网结构笔记张超http:/www.s- 结构博客徐珂http:/图 2-12 桁架-环梁节点细部 Mises 应力云图（单位：N/mm2）图 2-12 显示桁架-环梁节点最大 Mises 应力为 275.4N/mm2,出现在环梁与内部加劲板的交界处，未超过 Q420 材料的强度设计值 325N/mm2，满足设计要求。图 2-13 柱脚节点细部 S11应力云图（单位：N/mm2）S11云图显示柱脚节点细部沿整体系 x 轴的正向应力最大值出现在下斜箱梁截面上，反映了下斜箱梁在工况作用下的受拉响应。筑龙网结构笔记张超http:/www.s- 结构博客徐珂htt
12、p:/图 2-14 桁架-环梁节点细部 S11应力云图（单位：N/mm2）桁架-环梁节点 S11出现在环梁顶部腹板， 环梁顶部腹板沿整体系 x 轴仅在与竖向腹板交界区域受拉，其余大部处于受压状态。图 2-15 柱脚节点细部 S22应力云图（单位：N/mm2）S22云图显示柱脚节点沿整体系 y 轴的正向应力最大值出现在靴板与柱脚底板交界的上表面，反映了靴板在节点复杂受力状态下所起到的加强作用。筑龙网结构笔记张超http:/www.s- 结构博客徐珂http:/图 2-16 桁架-环梁节点细部 S22应力云图（单位：N/mm2）桁架-环梁节点 S22最大值出现在环梁侧面腹板上， 说明侧面腹板部分区
13、域在竖向处于受拉状态，与内部加劲板交界处沿竖向处于受压状态。图 2-17 柱脚节点细部 S33应力云图（单位：N/mm2）S33云图显示柱脚节点沿整体系 z 轴的正向应力最大值出现在圆角特征区域内，反映了下斜箱梁下侧腹板受载后的横向受拉变形效应。筑龙网结构笔记张超http:/www.s- 结构博客徐珂http:/图 2-18 桁架-环梁节点细部 S33应力云图（单位：N/mm2）桁架-环梁节点 S33最大值出现在下斜腹杆的拐角特征处， 说明下斜腹杆拐角在桁架平面外方向（Z 方向）主要处于受拉状态。2.7.2.节点细部变形计算结果2.7.2.节点细部变形计算结果图 2-19 柱脚节点细部变形前后对比图（变形缩放系数：100）筑龙网结构笔记张超http:/www.s- 结构博客徐珂http:/图 2-20 桁架-环梁节点细部变形前后对比图（变形缩放系数：200）图 2-21 柱脚节点细部最大主应变云图筑龙网结构笔记张超http:/www.s- 结构博客徐珂http:/图 2-22 柱脚节点细部中间主应变云图图 2-23 柱脚节点细部最小主应变云图筑龙网结构笔记张超http:/www.s- 结构博客徐珂http:/图 2-24 柱脚节点细部主应变矢量云图主应变云图表明， 柱脚节点在沿其中两个主方向为拉伸变形。 矢量云图中的箭头表明了主方向及其上主
