铸钢节点有限元分析和实例探讨

一、前言

铸钢节点作为一种新兴的节点形式，具有结构多样化、外形美观、良好的加工性能以及良好的适应性，已广泛应用于大跨度空间钢结构，大型钢结构建筑、桥梁等工程中。在国外，特别是在德国、日本等发达国家，铸钢件节点已得到非常广泛的应用，国内近年来在一些大型钢结构建筑、桥梁等工程中逐渐得到推广应用。如国家体育馆钢屋盖工程、郑州国际会展中心、广州歌剧院钢结构工程、安徽体育中心主体育场、无锡科技交流中心等工程中关键部位均采用铸钢节点。

由于铸钢节点受力和造型相当复杂，因此，分析模型的正确建立以及对分析模型边界条件的真实模拟是节点受力分析的难点和关键点。需要根据实际情况建立节点的实体三维模型，并根据一定理论依据对模型的边界条件做相应的简化假定，以求在简便计算的同时最大限度的模拟实际中复杂的边界条件，从而完成对铸钢节点的受力分析。

本文结合某主题馆钢结构工程中的铸钢节点设计实例，对大型铸钢节点的设计基本原则及受力进行了初步研究与分析。通过ANSYS研究铸钢节点在设计荷载作用下应力的发展、变化过程及节点变形，对其承载安全性作出判断，在此基础上得到一些有益的结论。

二、铸钢节点选取 1、节点选取

本文所研究的节点位于张弦桁架下弦杆、腹杆及拉索的交汇点，下弦杆与五根支管相连。该节点是由多根钢管以不同的空间角度汇聚于一点，构造形式比较复杂，因此节点受力复杂，加工制作难度极大。鉴于该节点受力的特殊性和重要性，有必要对其在设计荷载作用下工作状态进行分析。根据设计方案该节点为铸钢节点，材料为ZG310-570铸钢，质量执行《一般工程用铸造碳钢》（GB11352）标准中的有關规定，详见下表1：

2、基本假定

由于铸钢节点所用钢材具有良好的线弹性性能，结合《钢结构设计规范》（GB50017—2003）的规定，本文采用以下分析假定[1]：

（1）只考虑节点在弹性状态下的单独受力状态； （2）不考虑几何非线性；

（3）在节点与拉索连接处，采用传力杆，以传力杆传递拉索拉力.拉索的拉力以面力形式施加于传力杆端面，受力模型见下图1中7号杆.

三、铸钢节点有限元分析 1、计算模型

对于比较复杂的模型在ANSYS中建模非常困难，可以采用Pro/E、SolidWorks、UG、AUTOCAD等CAD制图软件进行实体建模，利用它们和ANSYS之间的数据接口导入ANSYS中。本模型就是采用在AUTOCAD绘制而成，在将实体模型保存为SAT格式的文件导入ANSYS中。建立的CAD三维实体模型如下图2所示：

在有限元模拟时取节点最不利设计荷载组合工况为：1.2自重+1.4升温（30oC）+0.6X1.4活+0.6X1.4风，进行计算转换到铸钢节点各管上的面荷载如下表2所示：

2、单元选取

本文对节点进行有限元分析，采用的是ANSYS程序单元库中的三维实体单元SOLID92。SOLID92单元为10节点四面体单元[2]，每个节点有UX，UY，UZ三个自由度，单元节点位移模式为二阶，更适于对不规则实体模型的分析，同时该单元还支持大变形、大应变以及应力刚化分析。采用自由网格划分，对节点转角处适当加强网格密度，通过有限元程序的误差信息（能量百分比误差、单元应力误差、单元能量误差、应力上下限）确定网格划分是否满足要求。

3、网格划分

将CAD模型导入ANSYS中进行网格划分，由于钢结构节点一般都为不规则体，所以节点采用ANSYS单元划分器中的自由网格划分技术，自由网格划分技术会根据计算模型的实际外形情况自动地决定网格划分的疏密，该节点一共划分为307个单元，节点数为61574个。模型单元划分如下图3所示：

4、约束加载

为反应节点的真实边界条件，计算时对下弦杆（管6）一端的各向自由度进行约束，另外一端只约束Y，Z方向的自由度，与下弦杆连接的其它几个支管分

别加上轴向拉力或压力（转换成面荷载进行加载）。索力通过反力转换作用在7号支管上，加载时仅考虑了铸钢节点连接杆件端所受的轴向力作用，忽略了连接端截面的弯距与剪力作用。上图4为模型加载与约束图，各支管所加轴向荷载大小见表2。

5、有限元计算及结果分析

有限元分析中主要考察了节点的最大位移与Mises应力分布，根据钢材性能对节点的安全性做了评估，并对部分节点的进一步优化设计提出了建议。把各支管面荷载加到铸钢节点上后，由于各支管相交复杂，首先在相交处发生局部变形和局部应力集中，但由于经过倒角处理，应力峰值并不是很高. 离开相交处后应力迅速下降.节点的鞍点和冠点处应力最大，首先屈服，但此时并不意味着节点立即破坏；随着荷载的逐渐增加，该点逐渐形成塑性区使应力重新分布，塑性区不断地向四周扩散，直到出现显著的局部塑性变形后，节点才最后达到破坏.节点从开始进入塑性到最后破坏的过程中，具有很强的塑性变形能力，强度储备很高。

从右图5铸钢节点的变形图、下图6主应力 图5 变形图

云图以及下图7Von-Mises单元等效应力云图可以看出，整个节点在控制工况荷载作用下，应力水平总体上较低，最大等效应力分布在支管（腹杆）和主管（下弦杆）的交汇处，节点区应力最大只有215.2Mpa，小于屈服强度（300MPa），具有较大的安全储备，节点满足承载力条件要求。

在设计载荷作用下，经计算该铸钢节点相对于坐标原点的变形很小，节点环向与径向方向的位移较小，长度方向位移相对较大，体内各节点的最大位移矢量值不超过1.75 mm.该节点处于小变形状态，符合线弹性分析的假定。

五、结论

通过以上对铸钢节点的有限元分析，可以得出以下结论：

1. 在设计荷载作用下，各节点的应力值都满足要求，都小于310Mpa，在各连接端交汇处应力集中现象比较突出，但总的来说节点的应力峰值仍然处于弹性范围之内，应力峰值区域比较集中、面积不大。

2. 各节点的强度有一定的富余，节点承载能力满足设计要求。 3. 在设计荷载作用下，节点的变形较小。

4. 拉索反力直接作用在支管7上，而拉索的拉力非常大，容易导致支管7首先受压破坏，建议在设计时，对于加大支管7的壁厚或者加大受压承载面积，以满足压力能顺利传递到主管上。

5. 由于铸钢节点中的铸钢管壁厚明显比其相连接的一般钢管壁厚要大，如本文中节点，铸钢节点壁厚最大40mm，其它与其连接的支管只有16mm，如此大的过渡必然形成薄弱区域，因此应采用有效措施以防止因过大的截面差而引起来的应力集中。建议铸钢节点在制造过程中改善内外表面的粗糙度、支管与主管相贯线倒角段的光滑性、使节点承载力有更加可靠。此外，还必须严格控制连接质量，确保节点安全。

参考文献

[1] 郑州国际会展中心铸钢节点S211-1的受力特性分析 《郑州大学学报（理学版）》2005年3月第37卷第1期；