空间钢结构整体模型和刚接柱脚有限元研究

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1、空间钢结构整体模型和刚接柱脚有限元研究　　摘要：本文针对大连市金州新区至普湾新区城际铁路工程——公交总站站钢结构雨棚的实际设计问题进行分析。公交总站站钢结构雨棚不同于以往传统形式钢结构，既不属于门式钢架类型也不同于钢框架类型，是较复杂的空间钢结构型式，因此选取钢结构雨棚的一个温度区段进行整体模型分析，主要控制钢构件强度、钢梁跨中挠度、钢构件稳定应力等。钢结构整体分析模型在柱脚位置采用刚接约束，然而由于下部车站建筑立面以及功能要求的限制，导致柱截面尺寸受到限制，因此如何合理构造钢结构柱脚、如何保证柱脚的刚度以及强度、如何进行柱脚防屈曲构造等是本工程的重要以及难点之一。本文利用Midas

2、Gen780对空间钢结构进行静力作用下整体模型分析，提取受力最大位置柱脚，利用ABAQUS6.10.1对最不利位置柱脚节点在设计荷载作用下的弹塑性性能进行分析，提出合理有效的措施以保证柱脚节点的刚度以及强度等。关键字：空间钢结构；刚接柱脚节点；屈曲分析；强度；刚度；构造措施中图分类号：TU391文献标识码：A0引言9随着我国国民经济的持续发展，城市轨道交通作为一种新型快捷的交通方式已经得到较为广泛的应用。高架车站作为一种经济、实用的建筑形式，在城市轻轨建设中已受到越来越大的重视，同时其优美的外立面造型亦可成为城市建设的靓丽风景线。大连市金州新区至普湾新区城际铁路工程（简称金普线）是大

3、连市交通路网的重要组成部分，线路建成后可成为联系中心城区、开发区、金州区及普兰店市的一条南北向主要交通通道，带动沿线地区经济一体化发展，促进大连市总体发展战略的实施。金普线中的公交总站站是一座高架三层车站，其站台上钢结构雨棚不同于以往传统形式钢结构，既不属于门式钢架类型也不同于钢框架类型，是较复杂的空间变化钢结构型式，因此选取钢结构雨棚的一个温度区段进行整体模型分析，其主要控制参数为钢构件强度、钢梁跨中挠度、钢构件稳定应力等。钢结构整体模型分析在柱脚位置采用刚接约束，然而由于下部车站建筑立面以及功能要求的限制，导致柱截面尺寸受到限制，因此如何合理构造钢结构柱脚、如何保证柱脚的刚度以及

4、强度、如何进行柱脚防屈曲构造等是本文要研究的主要内容。1整体模型有限元分析1.1模型建立9公交总站站钢结构雨棚为空间钢结构体系，为达到立面效果主钢构件采用分段变截面空间扭转形式。在综合考虑施工难易、建筑立面效果、受力合理性等因素，钢梁采用圆钢管，每一榀分为三个不同截面区段，分别为变截面(650~450)x18、变截面(450~300)x18、等截面300x18，见图1。选取一个温度区段，利用MIDASGen780建立整体模型，钢梁采用BeamElement，其具有拉、压、剪、弯、扭的变形刚度；屋面板采用PlateElement中的DiscreteKichhoffElement；檩条采

5、用BeamElement。钢结构雨篷受到屋面恒载、活载、风荷载、竖向和水平地震荷载的作用。经过试算，在满足承载力极限状态以及正常使用极限状态的前提下，使用刚接柱脚可以有效的减少结构用钢量和跨中挠度，因此柱脚采用刚接形式。图1钢结构横断面图1.2荷载参数钢结构抗震设防类别为乙类，安全等级为一级，建筑抗震等级为二级。场区地震动峰值加速度为0.20g（地震基本烈度Ⅷ度），场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第一分组，地震反应谱特征周期为0.35s。根据钢屋面上建筑做法，屋面恒载取0.4kN/m2；根据《建筑结构荷载规范》GB50009-2012（后简称《规范》），不上人屋面活荷载取0.59kN/

6、m2；钢结构风荷载根据公式wk=βgzμsμzw0进行计算，大连100年基本风压w0=0.75kN/m2，钢结构顶标高为22.000m，风压高度变化系数μz=1.25，风荷载体型系数μs按照《规范》中第三类“封闭式落地拱形屋面”进行取值。1.3结果分析图2与图3分别为标准组合作用下钢梁跨中最大挠度以及基本组合作用下钢结构的应力图。表1列出模型计算结果与承载力极限状态以及正常使用极限状态的对比值。图2标准组合作用下钢梁跨中最大挠度（mm）图3基本组合作用下钢结构的应力图（N/mm2）表1计算结果与规范限值对比分析项目计算结果规范限值是否满足标准组合下钢梁跨中挠度（mm）52.5L/40

7、0=67.5满足活荷载下钢梁跨中挠度（mm）18.75L/500=54满足最大应力值（N/mm2）134.9295满足柱顶水平位移（mm）7.95H/500=17.5满足从整体模型分析可以看出，钢结构的空间选型以及截面的选取都满足规范对承载力以及变形的要求，整体选型是合理的。2刚接柱脚节点弹塑性分析2.1单元的选取9柱脚节点圆钢管、混凝土、加劲肋、钢板均采用实体单元C3D8R模拟，该单元是8节点缩减积分单元。2.2材料本构模型2.2.1混凝土损伤塑性本构模