某多层钢框架结构关键节点应力研究概述

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热度0票  浏览129次 时间：2020年4月10日 11:09

郭 丽 1 许 琴 2

（ 1 贵州食品工程职业学院 机电与建筑工程系 贵州贵阳 551400 ；2 凯里学院 建筑工程学院 贵州 凯里）

摘 要：钢结构梁柱节点设计是整个设计过程中非常关键的部分，因此，为保证结构性能安全，有必要对关键节点进行应力研究。本文以某多层不规则钢框架结构为工程背景，对其关键节点应力研究的目的、意义及研究过程进行论述，该方法可供同类设计做参考，也可指导施工及后期维护保养。

关键词：钢结构；结构分析；关键节点；应力研究；概述0 引言

随着社会的发展以及我国对用钢量的鼓励政策，钢结构有着“绿色朝阳产业”之称。钢节点的链接方式多样，常见的有焊接、螺栓连接、铆钉连接等，节点连接的设计是结构设计中重要部分，它直接关系整到个结构的安全性能。通过结构分析查看其应力分布可判断结构性能状况及危险截面。

1 工程背景

本工程为某教学楼结构设计，共四层，一二三层为教室，四层为办公室及教师休息室；建筑总高度为 17.85 米，采用钢框架结构；建筑安全等级为一级；钢框架抗震等级为四级；按 7 度（加速度0.10g ）采取抗震措施；设计使用年限 50 年；相关荷载设计按规范取值。

2 相关理论及软件介绍

在应力研究中会涉及圣维南原理、强度理论及有限元相关理论。由圣维南原理可知，静力等效的力只对近处的应力分布有明显的改变，但是对远处区域的影响可以忽略不计 [1] 。第四强度理论指出，结构在受力后其构件的形状和体积都会发生相应的变化，构件内部会因其变化而积蓄了一定的应变能，单位体积内的应变能由因体积改变和因形状改变（畸变）而产生的应变能密度两个部分组成 [1] 。有限元方法是在工程应用中非常有效的数值分析方法，它的核心思想是“化繁为简” “先化整零，再积零为整”，可对任意工程进行分析。是现代科技工作者们的得力助手。

常用的结构设计软件有 PKPM 、 YJK 、 3D3S 等，在本工程实例中采用 Midas/GEN 建立整体结构计算模型，并针对各种不同工况对结构施加荷载及边界条件。在不同荷载工况下对结构进行整体结构分析，查看不同荷载工况下结构整体的应力情况及位移等指标。对于节点这样的局部分析，可采用有限元软件建模进行分析，常用的有限元软件有 ANSYS 、 SAP2000 等，本工程采用有限元软件Midas/FEA 。

3 应力研究概述

采用 Midas/GEN 建立整体计算模型，在各种不同工况下分析结构应力，判断较危险杆件及截面。结构破坏往往从局部开始，节点模型的建立需从整体模型中截取，梁柱节点可采用实体单元和板单元建模，在本文中，有限元软件 Midas/FEA 采用板单元模拟薄壁钢构件。细部模型建立采用直接建模法中内力边界方式，在整体模型中截取适当的局部模型，并将局部模型施加适当的边界约束，另外在整体模型中局部所在的相应位置提取节点区域上内力值，并将此内力作为荷载施加到节点模型当中 [2] 。根据梁柱节点实际约束情况，在相应位置进行自由度约束。在 Midas/FEA 中建立好刚域后，施加从 Midas/GEN 中提取的边界内力，将此内力施加于主节点上，施加过程需主意内力方向。在节点细部模型中查看范梅赛斯应力、最大剪切应力等关键指标，结合强度理论对关键节点进行应力研究 [3] 。

4 结论

通过采用整体计算软件 Midas/GEN 和细部有限元分析软件Midas/FEA 的结合使用，以直接建模法中的内力边界方式建立细部模型，可以有效地对钢框架结构关键节点进行应力研究。该方法可供同类设计做参考，也可指导施工及后期维护保养。 ■参考文献

[1] 孙训方 , 方孝淑 , 关来泰 . 材料力学 [M]. 北京：高等教育出版社 .

[2] 舒哲 , 余俊 , 杨建华 . 节点有限元分析在特种结构中应用 [J]. 建筑结构 2016,33(4):12-18.

[3] 赵经文 , 王宏钰 . 结构有限元分析（第二版） [M]. 北京：科学出版社 ,2004.