基于有限元分析的鋼平臺(tái)柱腳節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法研究

程達(dá)

摘要：通過兩種三維有限元力學(xué)模型，分別計(jì)算分析鋼平臺(tái)在剛性連接和定向滑動(dòng)連接兩種柱腳節(jié)點(diǎn)連接情況下的力學(xué)性能。結(jié)合兩種不同數(shù)模分析方法的優(yōu)缺點(diǎn)并它們的計(jì)算結(jié)果，分析兩種柱腳節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)方法對(duì)鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)體系的影響，提出了可以適合實(shí)際工程的柱腳節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：鋼平臺(tái)；柱腳節(jié)點(diǎn)；有限元；設(shè)計(jì)方法；定向滑動(dòng)連接

0 前言

為了滿足工業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，需要在下部支撐結(jié)構(gòu)上建立鋼平臺(tái)，其柱腳節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)多以剛性連接為主，導(dǎo)致不同結(jié)構(gòu)之間的不協(xié)調(diào)變形在鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)剛性連接的鋼平臺(tái)本身產(chǎn)生彎矩會(huì)傳遞給下部支撐結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致下部支撐鋼架構(gòu)件平面外失穩(wěn)破壞。

1 柱腳節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

柱腳節(jié)點(diǎn)剛性連接采用焊接于下部支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，柱腳節(jié)點(diǎn)滑動(dòng)連接采用聚氯乙烯布作為滑動(dòng)隔離層，并在柱腳周圍設(shè)置可靠擋板限制平面內(nèi)水平位移。

2 鋼平臺(tái)力學(xué)模型

2.1 邊界條件

空間桿系單元的每個(gè)端點(diǎn)有6個(gè)自由度、即3個(gè)平動(dòng)自由度和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。本文定義的柱腳節(jié)點(diǎn)邊界條件分為兩種：一種是常規(guī)的剛性連接（邊界條件1，下同），即鋼平臺(tái)柱腳與剛體約束三個(gè)平動(dòng)自由度和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；一種是定向滑動(dòng)支座（邊界條件2），即釋放柱腳一個(gè)上下自由度和三個(gè)繞形心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，限制平面內(nèi)水平方向兩個(gè)自由度。

考慮到滑動(dòng)連接在長(zhǎng)期受力、滑動(dòng)系統(tǒng)老化等限制滑動(dòng)有效實(shí)現(xiàn)的問題，這里的邊界條件2限制平面內(nèi)水平方向兩個(gè)自由度是與實(shí)際工程所采用的定向滑動(dòng)連接方式是比較接近的。

2.2 荷載定義

根據(jù)實(shí)際工程，按照恒荷載、活荷載[1]，地震力[2]建立不同荷載工況（地震分別采用底部剪力法和振型分解法），分析工況按照靜態(tài)線性疊加。荷載組合分三種情況：

荷載組合1：1.2恒荷載+1.4活荷載

荷載組合2：1.2（恒荷載+0.5活荷載）+1.3地震力（X方向）

荷載組合3：1.2（恒荷載+0.5活荷載）+1.3地震力（Y方向）

2.3 力學(xué)模型建立

下部支撐鋼構(gòu)架的主體結(jié)構(gòu)在三維模型中定義為剛體，即不考慮主體結(jié)構(gòu)的側(cè)向力和變形對(duì)上部鋼平臺(tái)的影響。鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)依據(jù)前述的結(jié)構(gòu)體系建立空間桿系模型，根據(jù)有限元連續(xù)性假定，采用三維實(shí)體單元[3]對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分模擬空間受力，通過定義的兩種不同邊界條件的柱腳連接方法，利用SAP2000和Midas Gen兩個(gè)三維空間有限元軟件通過建立材料合理的本構(gòu)關(guān)系和力學(xué)模型對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。兩種軟件均采用空間迭代法進(jìn)行有限元計(jì)算。

3 數(shù)模分析

在相同的荷載情況下，分別對(duì)柱腳剛性連接和定向滑動(dòng)連接兩種模型的三個(gè)柱腳節(jié)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 空間變形分析

圖1～圖2清晰地顯示了在不同約束在相同荷載組合下的變形情況，定向滑動(dòng)支座相對(duì)剛接的空間變形略大，表明柱腳定向滑動(dòng)連接可以通過自身的空間協(xié)調(diào)變形和相對(duì)下部支撐結(jié)構(gòu)的滑動(dòng)減少對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的變形影響。

通過Midas Gen（振型分解法）得出的空間變形圖3～圖4及表1也反應(yīng)了鋼平臺(tái)跨中撓度定向滑動(dòng)連接較剛性偏大1～2mm。

根據(jù)文獻(xiàn)[4]給出的容許撓度限值要求可以得出，平臺(tái)梁容許撓度值為 >5mm（表1），說明鋼梁在定向滑動(dòng)支座這種邊界條件下滿足變形要求。

定向滑動(dòng)支座在保證鋼平臺(tái)良好的變形能力前提下，減小了鋼平臺(tái)空間變形對(duì)下部支撐結(jié)構(gòu)的影響。而且符合抗震概念設(shè)計(jì)中的兩種不同結(jié)構(gòu)之間應(yīng)各自有良好的變形能力和耗能能力，避免不協(xié)調(diào)變形導(dǎo)致兩種不同結(jié)構(gòu)的應(yīng)力重分布。

4 結(jié)語

上部鋼平臺(tái)與下部支撐結(jié)構(gòu)之間采用有效的定向滑動(dòng)連接，其力學(xué)傳遞路徑明確，最大限度保證了鋼平臺(tái)通過本身的空間協(xié)調(diào)變形減小對(duì)下部支撐結(jié)構(gòu)的影響，減少對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的破壞。

根據(jù)工程實(shí)踐證明，所提出定向滑動(dòng)柱腳設(shè)計(jì)方法在工業(yè)建筑的鋼支架及鋼平臺(tái)設(shè)計(jì)中起到了重要作用。另外，定向滑動(dòng)柱腳設(shè)計(jì)方法減少施工機(jī)械投入，便于安裝，節(jié)省人力成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB50009-2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S]. 北京：建筑工業(yè)出版社，2006.

[2]GB50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京：建筑工業(yè)出版社，2010.

[3]蔣有諒.非線性有限元法.北京：北京工業(yè)學(xué)院出版社.1988

[4]GB50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京：建筑工業(yè)出版社，2003