基于abaqus有限元软件的钢结构顶棚关键节点受力优化策略计算分析

陈亚飞

（西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨陵 712100）

0 引言

随着计算机技术的进步，有限元软件模拟分析复杂的建筑结构或机械结构十分方便，为这些结构的受力优化提供了理论依据。众多学者在这方面获得了丰富的成果。潘汉明等[1]以广州塔为研究对象，针对结构中的节点进行有限元模拟，分析节点的破坏模式和受力机理，提出针对节点区域的改进措施和加强方法；陈敏等[2]考虑到弹塑性和大变形的前提下，利用有限元中非线性的分析方法，模拟并分析单层网格结构采用的节点形式；薛建阳等[3]应用有限元软件，针对异形钢结构节点展开非线性分析，得出其应力分布和变形特点；沈国辉等[4]利用试验和有限元相结合的方法，分析在轴向荷载作用下十字形钢管节点有无加劲肋的受力区别。

本文以某中学体育场钢结构顶棚为背景，以转角处复杂关键节点为研究对象，利用abaqus有限元软件研究在设计荷载作用下关键节点受力的优化策略，寻求较为合理的加劲肋优化方案。

1 有限元分析

1.1 荷载的提取

对其中重要的节点进行有限元分析，取其中最不利荷载组合工况下构件的内力施加至杆件端部。其中最不利荷载工况为1.3（1.3）D+ 1.5（0.7）（1.0）（1.3）L+ 1.5（0.6）（1.3）W+ 1.5（1.3）T3，工况中D表示恒载，L表示楼面活荷载，W表示风荷载，T3表示温度荷载作用。表1给出了该工况下单元内力，构件应力的正负号规定与单元内力符号规定相同。但在弯矩作用下截面上产生应力时，则以受拉为正、受压为负来规定其符号。输出的内力是以箭头指向为正（+），如图1所示。

图1 各杆命名及单元坐标系

表1 工况①下单元内力

1.2 材料本构

钢构件在材料选取上主要需考虑两方面的问题：（1）满足结构的受力性能；（2）材料具有良好的塑性、韧性和可焊性。表2给出了钢材的物理性能指标，表3为Q345-B钢材强度设计值。

表2 钢材的物理性能指标

表3 Q345-B 钢材的强度设计值

1.3 荷载及边界条件

通过建立整体模型，按实际受力情况将荷载作用于整体模型，建立局部模型（壳单元）并与整体模型的相应节点耦合，使荷载作用于局部模型，施荷方式及有限元网格见图2所示。经查阅文献，局部模型应取原杆件长度的1/4建模，如此可以避免耦合点的约束对节点的影响。

图2 通过节点耦合施加荷载

1.4 有限元计算结果

利用abaqus有限元软件[5]开展节点处各主管与支管的受力分析，采用四边形缩减积分壳单元S4R模拟，考虑几何非线性。由计算云图可知该节点在设计工况下，节点应力不符合设计要求，应力值为487.5MPa。最大应力区域主要出现在方型管（XXG2杆）与主管（XC杆）相贯线附近局部范围；节点上部支撑杆（FG2杆）与主管（XC杆）相贯线附近应力也较大，见图3所示。故应对该节点采取加强措施，以保证节点的设计要求。

图3 Von Mises应力云图-壳单元

2 节点优化设计方案及计算结果

《GB50017-2017钢结构设计规范》[6]要求：节点需满足抗弯连接要求时，应设2道加劲板，加劲板中面宜垂直于主管轴线；当主管为圆管，设置1道加劲板时，加劲板宜设置在支管与主管相贯面的鞍点处；设置2道加劲板时，加劲板宜设置在距相贯面冠点0.1D附近，D为支管外径；同时加劲板厚度不得小于支管壁厚，也不宜小于主管壁厚的2/3（14mm）和主管内径的1/40（12.5mm）；综合规范要求、节点构造及施工条件等，故布置4道环形加劲板，从左至右依次布置于工字钢（XXG1杆）与主管（XC杆）相贯面的下冠点、方型管（XXG2杆）与主管（XC杆）相贯面的下冠点、支杆（FG1杆）与主管（XC杆）相贯面的鞍点、方型管（XXG2杆）与主管（XC杆）相贯面的上冠点；最终选择环形加劲板尺寸为宽度150mm，厚度30mm，宽厚比为5.0。节点优化后Von Mises应力云图如图4所示。

图4 节点优化后Von Mises应力云图

在abaqus建模中，方型管（XXG2杆）杆端弯矩较大，出于安全考虑，在杆与主管交界面的中心设置了三道竖向加劲肋，从主杆左端与工字钢相贯面的下贯点处至主杆右端1/4杆长位置处，宽度为150mm，厚度为30mm。多次修改后发现采用内加劲方式仍不能解决主管（XC杆）管壁应力过大问题，故将主管管壁增至20mm。

从图4可知，在设计荷载下该节点的加强方案最大应力值为225.6MPa，整个节点区域均处在钢材设计强度（295MPa）以下，最大应力值出现在环口板内边缘处。

3 节点优化方案调整

3.1 内部加劲1次优化方案

3×环口板，尺寸为150mm×30mm，应力极值为352.4MPa，极值出现在方型管（XXG2杆）与主管（XC杆）相贯线附近局部范围，超设计强度区域面积较大。如图5所示，环口板上所受到的应力较小，XC杆管壁出现较大应力，且XC杆所受到较大的轴向应力，故需设置纵向加劲肋。

图5 一次优化方案应力云图

3.2 内部加劲2次优化方案

4×环口板加3×纵向加劲肋，尺寸均为150mm×30mm，应力极值出现在主管上纵肋所在的端部，超设计强度区域面积较大。如图6所示，加设纵肋后应力值有下降，但下降幅度不大，优先考虑保证主管安全，因此尝试更改主管壁厚，因纵肋上未出现较大应力，故不再调整纵肋。

图6 二次优化方案应力云图

3.3 内部加劲3次优化方案

4×环口板加3×纵向加劲肋，环口板和纵肋尺寸设为150mm×30mm，将主管壁厚由14mm改为20mm。主管壁厚增加后，主管上最大应力仅为225.6MPa，满足设计要求，故认为主管壁厚为20mm较安全。

4 结束语

本文利用abaqus有限元软件对钢结构顶棚关键节点受力状态进行模拟，并对优化策略进行计算分析，结论如下：

（1）第一次改进优化方案的计算结果表明，在主管与支管连接的相贯面附近加装环口板能有效地降低主管所受的局部应力，但环口板无法有效减少主管所受的轴向应力。因此需要考虑在轴向应力比较集中的区域增设纵向加劲肋。

（2）第二次改进优化方案的计算结果表明，在主管轴向应力比较集中的区域增设纵肋后能够有效地降低主管所受到的局部应力，但在纵肋的末端依然出现了应力较大的集中区域。因此在加设环口板和纵肋都无法将最大应力降低至安全值以下时，建议增加主管的壁厚来保证足够的安全稳定性。

（3）第三次改进优化方案的计算结果表明，增加主管壁厚至20mm后，主管上最大应力仅为225.6MPa，小于设计限值（295MPa）。

（4）采用增加主管壁厚的方式可以有效地降低主管的局部应力，还可以达到加设环口板和纵肋所无法达到的效果，但综合考虑经济效益，过度地增加主管壁厚则不能满足工程的经济性，在一定程度上浪费了材料。