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安徽建筑中图分类号：U448.21+1文献标识码：A文章编号：1007-7359（2024）3-0162-03DOI:10.16330/ki.1007-7359.2024.3.059为了使传统钢桁架桥在结构体系上更趋合理、经济性能更具竞争力，钢-混凝土组合桁梁桥应运而生。
其主要通过剪力连接件将混凝土桥面板和钢桁架上弦杆组合在一起共同受力，目前国内外普遍采用有限元分析对钢桁架-混凝土组合结构的力学性能进行研究。
在模拟方法及模型建立方面，王军文等[1]采用了空间杆系梁单元来模拟钢桁架梁，矩形板壳单元模拟公路桥面板；朱海松[2]运用有限元程序SAP-5进行分析，对主桁架分别采用空间刚接梁单元和空间铰接杆单元两种形式进行建模，对混凝土桥面板则亦采用板壳单元建立；周惟德和陈辉求[3]将组合桁架划分为四个单元，混凝土面板采用板单元，钢桁架的上下弦杆采用钢架单元，腹杆则采用杆单元。
不同学者根据所建得的不同模型得出了有关钢桁架-混凝土组合结构的各种研究成果，为后人提供了坚实的基础和有益的参考。
本文基于有限元软件ABAQUS6.10，依托天津滨海新区西外环海河特大桥主桥（95+140+95）m ，建立有限元模型，比较分析钢桁架-混凝土组合梁桥和纯钢桁架梁桥的力学性能。
1研究对象依托工程为上承式钢桁架-混凝土组合梁桥。
立面简图见图1，节点间距及腹杆高度见表1。
图1组合桁架立面简图2计算模拟方法及模型的建立为了保证模型的收敛性，将桁架杆件均划分为梁单元，将桥面板离散为板壳单元。
混凝土桥面板被看成是各向同性的均质材料，且不考虑钢筋的作用，桥面板既可承受压力亦可承受拉力，且不会开裂而导致刚度降低。
所有构件均在弹性范围内工作，其应力-应变关系符合胡可定律，所有由于加工制造和安装原因导致的缺陷、偏心和残余应力影响均不考虑。
分别计算纯钢桁架结构和钢桁架混凝土组合结构在结构自重+活载（汽车荷载）下的位移和应力。
对结构自重（包括结构附加重力），可按结构构件的设计尺寸与材料的重力密度计算确定，桥梁结构的整体计算采用车道荷载，车道荷载由均布荷载和集中荷载组成。
钢-混凝土组合桁架节点受力性能试验研究和有限元分析的开题报告一、研究背景和意义：钢-混凝土组合结构是近年来兴起的一种新型结构体系，具有承载力强、刚度大、耐久性好等优点，被广泛应用于建筑工程领域。
其中，钢-混凝土组合桁架是一种常见的组合结构体系。
它由混凝土构件（一般为混凝土支座或垫层）与钢构件（一般为钢桁架）组合而成。
其结构形式较为灵活，可以根据建筑设计的需要进行设计和加工，并且该结构可以充分利用两种材料的优势，使结构体系的承载能力得到提高。
然而，由于钢-混凝土组合结构具有结构形式复杂、连接节点受力分布不均匀、受力性能难以直接测量等特点，使其在实际工程中应用时存在一定的风险。
因此，对钢-混凝土组合桁架节点的受力性能进行深入研究，对保证钢-混凝土组合结构的安全性、可靠性和耐久性具有重要意义。
二、研究内容：本文将重点研究钢-混凝土组合桁架节点的受力性能。
具体包括以下内容：1、钢-混凝土组合桁架节点的结构形式和受力特点，包括节点的构造类型、受力模式及其特点等方面的分析；2、针对不同节点受力模式，进行试验研究，获取节点的受力性能数据，这些数据包括节点的应力-应变特性、承载能力、滞回性质等；3、采用有限元分析法对钢-混凝土组合桁架节点的受力性能进行模拟分析，验证试验结果的可靠性。
三、研究方法和步骤：1、文献查阅：从国内外期刊、会议论文和专利数据库中查阅相关的钢-混凝土组合结构的研究成果和应用案例；2、试验研究：通过设计并加工出不同类型的钢-混凝土组合桁架节点试件，进行受力试验，并对试验数据进行分析和处理；3、有限元分析：采用现有的有限元软件对钢-混凝土组合桁架节点进行数值模拟，并与试验结果进行比对和验证。
四、预期研究结果：1、深刻理解钢-混凝土组合桁架节点在不同的受力情况下的受力规律和特点；2、获得节点在承载能力、滞回性质、衔接刚度等方面的性能参数；3、对试验结果进行可靠性验证，提高钢-混凝土组合桁架结构的设计和应用水平。
机电工程学院有限元法课程设计学号：专业：学生姓名：任课教师：2016年5月桁架有限元分析本问题研究针对机器人腿部机体的受力变形研究。
在机器人的所有结构中，该结构受力较复杂，强度要求较高，需要对其进行受力分析并进行结构优化。
一、研究对象由等直杆构成的平面桁架如图1所示，等直杆的截面积为30cm2，弹性模量为E=2.1e5 Mpa，泊松比为μ=0.3，密度为7800kg/m3，所受的集中力载荷为2.0N。
分析该桁架的强度是否符合要求，给出约束节点的支反力、杆件受力以及受力节点的位移。
载荷：1.0e8 N图1 超静定桁架二、分析过程1.打开软件，更改文件名称和存储位置：File>Change Jobname and Change Directory 。
图2 更改文件名图3 更改存储位置2.选取有限元单元：Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete > Add > Link > 3D finit stn180 > OK > Close。
图4 选取有限元单元3.定义截面积：Preprocessor > Real Constants > Add/Edit/Delete > Add > 输入截面面积“0.03”> Ok > Close。
图5定义截面积4.输入材料弹性参数：Preprocessor > Material Props > Material Models > Structural > Linear >Elastic > Isotripic > 输入弹性模量> 输入泊松比＞Ok > 关闭窗口> SA VE_DB 保存数据。
图6 输入材料弹性参数5.建立节点，坐标分别为(0,1) (1,0) (1,1) (2,1) ：Preprocessor >Modeling>Create>Nodes>On working Plane>选取点。
第9章桁架和梁的有限元分析第1节基本知识一、桁架和梁的有限元分析概要1．桁架杆系的有限元分析概要桁架杆系系统的有限元分析问题是工程中最常见的结构形式之一，常用在建筑的屋顶、机械的机架及各类空间网架结构等多种场合。
桁架结构的特点是，所有杆件仅承受轴向力，所有载荷集中作用于节点上。
由于桁架结构具有自然离散的特点，因此可以将其每一根杆件视为一个单元，各杆件之间的交点视为一个节点。
2．梁的有限元分析概要梁的有限元分析问题也是是工程中最常见的结构形式之一，常用在建筑、机械、汽车、工程机械、冶金等多种场合。
梁结构的特点是，梁的横截面均一致，可承受轴向、切向、弯矩等载荷。
根据梁的特点，等截面的梁在进行有限元分析时，需要定义梁的截面形状和尺寸，用创建的直线代替梁，在划分网格结束后，可以显示其实际形状。
二、桁架和梁的常用单元桁架和梁常用的单元类型和用途见表９-1。
通过对桁架和梁进行有限元分析，可得到其在各个方向的位移、应力并可得到应力、位移动画等结果。
第2节 桁架的有限元分析实例一、案例1——2D 桁架的有限元分析图9-1 人字形屋架的示意图问题人字形屋架的几何尺寸如图9-1所示。
杆件截面尺寸为0.01m 2，试进行静力分析，对人字形屋架进行静力分析，给出变形图和各点的位移及轴向力、轴力图。
条件人字形屋架两端固定，弹性模量为2.0×1011 N/m 2，泊松比为0.3。
解题过程制定分析方案。
材料弹性材料，结构静力分析，属2D 桁架的静力分析问题，选用Link1单元。
建立坐标系及各节点定义如图9-1所示，边界条件为1点和5点固定，6、7、8点各受1000 N 的力作用。
1．ANSYS 分析开始准备工作（1）清空数据库并开始一个新的分析 选取Utility>Menu>File>Clear & Start New ，弹出Clears database and Start New 对话框，单击OK 按钮，弹出Verify 对话框，单击OK 按钮完成清空数据库。
90装配式圆钢管桁架空间节点静力性能有限1 李帅2 程欣2山西联邦环境工程有限公司 2太原理工大学土木工程学院点，建立了有限元分析模型，对节点进行了数值模拟，分析了空间圆钢管桁架节点的承载能力、应力发展规律和塑性变形等受力性能。
分析结果表明：该节点有良好的受力性能，在套筒的两侧弦杆上应力分布较为均匀，套筒与弦杆交界处常伴随应力集中的现象。
工程实例中腹杆上的应力相对较小，但在有限元分析荷载逐步增大的过程中，在腹杆压扁处也出现了应力集中的现象。
关键词：装配式；圆管节点；承载力；有限元分析装配式钢结构具有现场施工迅速，快速成型，绿色节能环保等优点。
随着装配式钢结构的不断发展，在大跨度结构中采用装配式钢结构成为新的研究热点[1-2]。
其中装配式节点作为实现装配化最为重要的组成部分之一，形式多样且复杂，现行规范还未有对此类节点的设计规定[3]。
而节点的安全性至关重要，节点一旦失效，相连杆件将丧失部分或全部承载功能，可能造成结构体系局部破坏，甚至引发整个体系连续性破坏。
因此装配式空间节点的承载性能问题成为装配式钢结构急需解决的问题。
目前国内有关圆钢管节点的静力性能已有较多的研究成果，但大多是针对焊接相贯的节点的研究[4-8]，对装配式节点的研究则较为有限。
本文以山西某装配式三角形拱桁架结构为背景，提出了一种新型装配式拱桁架结构连接方式。
通过对该结构的典型节点进行非线性有限元分析，分析了该节点的承载能力及破坏模式等静力性能，提出了一些结论和设计建议，为该类型节点的设计提供参考。
1 工程概况山西省灵石县某装配式三角形拱桁架结构干煤棚，结构由六榀平面三角拱桁架组成，桁架之间通过支撑桁架相连，并在端部布置有交叉支撑以保证结构的整体稳定性。
平面拱桁架结构净跨70m，高21.6m，纵长48m，整体结构示意图如图1所示。
在考虑了恒载、屋面活载、雪荷载、风荷载及地震作用的情况下，基于设计软件3D3S 对整体结构的计算结果，选取出了最不利节点的最不利内力组合形式。
有限元上机分析报告学院：机械工程专业及班级：机械设计及其自动化08级7班姓名：王浩煜学号：20082798题目编号： 21.题目概况1.1 结构组成和基本数据结构：该结构为一个六根杆组成的桁架结构，其中四根杆组成了直径为800cm的正方形，其他两根杆的两节点为四边形的四个角。
材料：该六根杆截面面积均为100cm2，材料均为Q235，弹性模量为200GPa，对于直径或厚度大于100mm的截面其强度设计值为190Mpa。
载荷：结构的左上和左下角被铰接固定，限制了其在平面内x和y方向的位移，右上角受到大小为2000KN的集中载荷。
结构的整体状况如下图所示：1.2 分析任务该分析的任务是对该结构的静强度进行校核分析以验算该结构否满足强度要求。
2.模型建立2.1 物理模型简化及其分析由于该结构为桁架结构，故认为每根杆件只会沿着轴线进行拉压，而不会发生弯曲和扭转等变形。
结构中每根杆为铰接连接，有集中载荷作用于最上方的杆和最右方杆的铰接点。
2.2单元选择及其分析由于该结构的杆可以认为是只受拉压的杆件，故可以使用LINK180单元，该单元是有着广泛工程应用的杆单元，它可以用来模拟桁架、缆索、连杆、弹簧等等。
这种三维杆单元是杆轴方向的拉压单元，每个节点具有三个自由度：沿节点坐标系X、Y、Z方向的平动。
就像铰接结构一样，不承受弯矩。
输入的数据有：两个节点、横截面面积（AREA）、单位长度的质量(ADDMAS)及材料属性。
输出有：单元节点位移、节点的应力应变等等。
由此可见，LINK180单元适用于该结构的分析。
3.3 模型建立及网格划分（1）启动Ansys软件，选择Preferences→Structural，即将其他非结构菜单过滤掉。
（2）选择单元类型：选择Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete→Add，在出现的对话框中选择Link→3d finit stn 180，即LINK180，点击“OK”（3）选择实常数：选择Preprocessor→Real Constants→Add/Edit/Delete→Add，在出现的对话框中的Cross-sectional area中输入100，点击“OK”。
组合管桁架抗弯承载力有限元分析陶涛，何若全，赵宝成[摘要]本文应用ANSYS参数化程序设计语言(APDL)编制了组合管桁架结构非线性分析的命令流，计算表明有限元模拟与试验结果吻合较好，验证了有限元模型以及编制APDL命令流的正确性。
应用编制的命令流，分析了混凝土翼缘板板厚、混凝土强度、桁架高跨比、桁架钢材强度、桁架管截面尺寸等因素对组合管桁架抗弯承载力的影响程度，并对其结果进行了定性的分析。
[关键词] 管桁架；组合管桁架；非线性；有限元Finite element analysis of ultimate buckling strength incomposite tube trussTao Tao, He Ruoquan, Zhao Baocheng，Abstract:In this paper, A command stream of composite tube truss nonlinear finite element analysis is edited with the ANSYS Parametric Design Language (APDL) and the calculated results of finite element are much coincided with the tested result. Model of finite element and command stream are correct. It applies command stream to analyze the behaviors of Steel - concrete composite tube truss with the thickness of concrete slab, concrete strength, high-span ratio of the truss, yielding strength of steel and the size of the tube section in truss. The qualitative analysis is done to the results of the analysis.Keywords: tube truss; combination tube truss; nonlinear; finite1 引言组合桁架是在组合梁的基础上提出的一种新的组合结构的形式，将以往组合梁中的型钢由桁架来代替，这样可以增加结构的跨度更大，提高建筑面积的利用率。
组合桁架的构成规律、受力性能、设计构造等不同于一般组合梁,它具有更多的优越性,更能发挥材料性能,特别是对于重载、大跨度的房屋和桥梁结构,其桁架腹部中空,便于穿管线,且混凝土板整体工作可兼作支撑等,因此,桁架组合梁作为一种新的组合结构形式,将进一步节省钢材,方便施工,具有相当的实用价值。
本文将研究一种新的组桁架形式—组合管桁架。
组合管桁架就是桁架上下弦、腹杆都采用闭合截面的钢管，通过栓钉连接件将桁架与混凝土翼缘板建立可靠的连接，从而很好地发挥其组合作用。
这种组合桁架最大的特点是桁架部分采用钢管，由于闭合截面有很多优点，如剪心和型心重合，抗扭抗弯刚度比较大，因此其力学性能较好。
此外，闭合截面抵抗锈蚀的能力比开口截面有好，闭口管型截面组成的结构外观也比较悦目。
2有限元模型的建立2.1模型的提取总的来说，钢—混凝土组合管桁架主要由钢管桁架、混凝土翼缘板和两者之间的界面三部分构成，因此，本文使用有限元软件ANSYS中的八节点Solid65单元模拟混凝土翼缘板，4节点塑性大应变单元shell43模拟钢管桁架，弹簧阻尼单元Combin39模拟栓钉。
为了简化，可不考虑钢管桁架和混凝土板之间的掀起、测向位移和扭转。
因此可沿钢管桁架上弦杆中线纵向定义一维弹簧单元模拟粘结滑移，其余两方向自由度耦合，见图1所示。
栓钉弹簧单元Combin39图1栓钉弹簧单元图2.2网格的划分在有限元分析过程中，模型单元网格的划分至关重要，单元网格划分的优劣直接关系着最后非线性求解的成败。
如果网格过于粗糙，那么结果可能包含严重的错误，但如果网格过于细致将花费过多的计算时间，浪费计算机资源。
因此在生成模型前要认真考虑网格密度的问题。
为了更好的收敛，本文对混凝土翼板沿长度方向每隔100mm-150mm划分一网格，沿宽度方向每隔100mm划分一网格，沿厚度方向每隔40mm-50mm划分一网格。
本文选择映射网格是基于以下两个原因：⑴单元的形状过于奇异会影响计算结果的精度，采用映射网格，各个单元均为长方块可提高计算精度，以较少的单元获得满意的结果。
⑵每个单元均为长方形，便于分层，这样模拟混凝土开裂的效果比自由网格的三角形单元要好的多，也更接近实际情况。
划分好以后，采用“CP”命令把钢桁架和混凝土合成空间的一个整体，保证单元之间的位移协调。
有限元模型如图2，3所示。
图2组合管桁架整体模型图3 管桁架模型2.3非线性有限元验证本文有限元模拟基于试验的基础上，验证了参数取值的合理性与有限元模型的可行性。
分析结果与试验结果的比较可知，本文的有限元计算值和实际试验值吻合较好，能够为深入分析提供依据。
●变形验证图4 跨中挠度比较●跨中截面下弦杆底面的荷载—应变关系验证图5下弦杆底面荷载—应变比较●跨中截面混凝土表面纵向应变变化验证试验值 — /电算值 ---沿混凝土板宽方向(mm)混凝土压应变(1-4)图6 跨中截面混凝土表面纵向应变比较3非线性有限元参数分析1002003004005000204060挠度(mm)荷载(KN)本文应用ANSYS 非线性有限元程序，分析了混凝土翼缘板板厚、混凝土强度、桁架高跨比、桁架钢材强度、桁架管截面尺寸等因素对组合管桁架抗弯承载力的影响，分别选用5个变化参数，分五组工况，总共57个模型进行数值分析。
其中组合桁架跨度均为15m ，荷载形式为均布荷载，剪力连接程度均为1.0。
● 混凝土翼缘板板厚的影响405060708090100100120140160180200220240260板厚 (mm)极限荷载(k n /m 2)图7极限荷载随板厚变化曲线● 混凝土强度的影响50556065707580859095140160180200220240板厚(mm)极限荷载 K N /m2图8极限荷载随混凝土强度变化曲线● 钢材强度的影响30405060708090100140160180200220240板厚(mm)极限荷载K N /m 2图9极限荷载随钢材强度变化曲线● 桁架高跨比的影响01020304050607080901000.040.050.060.070.080.09高跨比极限荷载 K N /m 2图10极限荷载随桁架高跨比变化曲线● 桁架钢管截面尺寸的影响707580859095100160200240280320下弦杆尺寸(mm)极限荷载 K N /m 2图10极限荷载随下弦管截面尺寸变化曲线4结论⑴混凝土翼缘板板厚是组合管桁架抗弯承载力的重要影响因素之一，随着板厚的增加承载力不断增加，增大的幅度越来越小，当板厚增大到一定值时，承载力随板厚增加而增加的幅度变化率越来越小，因此在设计中适当选取板厚对组合管桁架的承载力有着至关重要的影响，板厚取太小，承载力就小，可能就不符合设计的要求；板厚太大，承载力提高的不是很明显，势必造成浪费。
⑵混凝土强度等级对组合管桁架抗弯承载力有一定的影响，但是简单地提高混凝土的强度等级对于组合桁架抗弯承载力的提高效果不大，要提高组合桁架的抗弯承载力，需要对其它参数进行优化组合。
高强混凝土组合桁架具有很好的延性，其极限挠度及延性比相对于普通混凝土组合桁架都有较大的提高。
因此设计时建议采用较高标号的混凝土来体现该结构系统的优势。
⑶钢材强度等级对组合管桁架抗弯承载力影响不是很大，因此简单地提高钢材的强度对于组合桁架抗弯承载力的提高效果不大。
⑷高跨比对组合管桁架抗弯承载力的影响很大，随着高跨比的增加承载力不断增加，并且增大的幅度越来越大，几乎呈现线性增长。
一般在设计中，增加钢桁架的高度同时也增加了腹杆用量和建筑高度，本文通过模拟，由计算结果可以看出适当降低高跨比对组合管桁架的整体性能影响不大，但抗弯承载力有所降低。
⑸钢管桁架下弦杆截面的尺寸是组合管桁架抗弯承载力的重要影响因素之一。
随着下弦钢管截面尺寸的增大，组合管桁架的极限抗弯承载力也相应提高，并且提高的幅度比较明显，但当管截面增大到一定程度时承载力提高的就比较少，因此建议设计时适当地增加钢管桁架下弦杆截面尺寸。
参考文献[1] JOSPECH ROBERT YOST.DAVID W DINEHART, SHAWN PGROSS, JOSPECH J P, BRAIN GARGAN. Strength and design of open web steel joists with crimped-end web members. Journal of Structural Engineering, ASCE, 2004, 130(5)：715-724.[2] AISC. Specification for Structural Steel Buildings-Allowable Stress Design and Plastic Design.. 9th ed. Chicago, IL: American Institute of Steel Construction, 1989. [3] 中华人民共和国建设部.钢结构设计规范[S]（GB50017-2003）.北京：中国计划出版社. 2003:108-112[4] 赵鸿铁.钢与混凝土组合结构.科学出版社，2000.[5] 钟善桐. 钢－混凝土组合结构在我国的研究与应用.Steel Construction 2000,15(50):41-45.[6] 朱聘儒.钢-混凝土组合梁设计原理（第二版）.中国建筑工业出版社，2006.[7] 聂建国.钢混凝土组合梁结构－试验、理论与应用科学出版社.2004.[8] 刘东营.基于有限元分析的组合桁架计算理论研究[硕士学位论文].合肥:合肥工业学,2005。
