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基于MIDAS FEA的钢梁—钢吊柱节点有限元分析

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基于MIDAS FEA的钢梁—钢吊柱节点有限元分析
作者：周小溦
来源：《建筑工程技术与设计》2014年第14期
摘要：采用MIDAS FEA有限元软件对某工程钢梁-钢吊柱节点建立三维模型，对其进行弹塑性数值分析。

分析该节点在设计荷载作用下型钢的受力性能，并根据分析结果提出此类钢梁-钢吊柱节点的加强措施。

关键词：MIDAS FEA；钢梁-钢吊柱节点；弹塑性分析；有限元分析
1 钢梁-钢吊柱节点概况
某工程设计存在多个钢梁-钢吊柱节点，除按规范进行常规的钢结构构件设计外，为掌握型钢节点的受力性能，需对其进行有限元分析，并根据分析结果对节点构造进行完善或加强。

根据MIDAS Gen整体计算模型的分析结果，选取其中一个具有代表性的钢梁-钢吊柱节点进行有限元分析，该节点处所交汇的水平钢梁、钢水平斜撑的数量最多、各杆件受力均较大。

节点构造及各杆件几何关系如图1所示。

2 有限元模型的建立
（1）材料：节点钢吊柱、钢梁、楼面斜撑梁均采用Q390钢。

钢材的本构关系采用范梅塞斯模型，按《钢结构设计规范》（GB50017-2003）第3.4.1条表3.4.1-1，Q390钢，厚度16～35mm，初始屈服应力为335N/mm2，弹性模量为206000 N/mm2，泊松比为0.3，型钢重量密度为76.98KN/m3。

不考虑钢材的硬化特性。

（2）单元：型钢采用三维实体单元模拟，单元形状为四面体；不考虑节点区域焊缝、螺栓连接对单元模拟的影响。

为保证计算精度，划分网格时，单元尺寸取50mm。

（3）坐标系：除整体坐标系外，为便于对各构件施加荷载，根据MIDAS GEN整体模型中各构件的单元坐标系，在MIDAS FEA中各构件断面处分别建立各自的局部坐标系。

（4）荷载：根据节点模型实际截取部位，从MIDAS GEN 整体模型中提取构件各单工况下内力标准值，并分别进行荷载组合，选取以下荷载组合，进行大震计算分析，具体详表1。

表中x、y、z表示各构件断面处的局部坐标系方向。

（5）边界条件：节点分析模型的边界条件设置为：整体坐标系下，钢吊柱柱顶截面固接，即约束截面上各节点的三个平动和三个转动自由度，即T1、T2、T3、R1、R2、R3；西侧纵向钢主梁端部截面各节点固接。

（6）三维模型：MIDAS FEA节点三维模型中，共有节点31836个，单元92676个。

3 有限元分析计算结果
大震荷载组合下，有2.9%的型钢进入塑性状态，其余区域型钢处于弹性工作状态。

除边界约束区域的应力集中外，塑性区主要集中在钢吊柱下段以及钢梁与钢水平斜撑交汇处，具体分布情况如图2a所示。

图2b为大震荷载组合下节点型钢的有效应力，型钢节点有效应力达到335N/mm2的范围为2.9%；型钢节点剪应力达到190N/mm2的范围为0.4%。

4 结论与加强措施
本钢梁-钢吊柱节点有限元分析结论如下：
1）钢吊柱：小震作用下均处于弹性工作状态；大震作用下，钢吊柱下段局部进入塑性区，但范围较小，且位于节点区域以外；
2）钢梁和钢水平斜撑：小震作用下均处于弹性工作状态；大震作用下，钢梁及钢水平斜撑的根部局部进入塑性区，范围很小，且塑性区分布主要位于钢梁与水平斜撑成锐角斜交处；
3）钢柱外环板及加劲肋：小震及大震作用下均处于弹性工作状态；钢梁与水平斜撑交汇处的倒角半径取20mm，除成锐角斜交部位以外，其余部位应力集中现象不显著。

综上所述，本节点设计基本能够满足"节点强度大于杆件强度"的设计原则。

由于大震荷载组合下，有2.9%的型钢进入塑性状态，其余区域的型钢处于弹性工作状态。

根据结构性能化设计目标和节点有限元分析结果，可考虑采取适当增大钢吊柱壁厚、适当加大钢梁与水平斜撑交汇成锐角处的倒圆角半径等加强措施。

通过有限元分析可知，与常规钢梁-柱节点中钢柱受压发生屈曲破坏的情况有所不同，钢梁-钢吊柱节点中钢柱受拉，破坏形态为钢吊柱的钢管壁全部进入塑性区域而形成塑性铰引起，因此，设计时对钢管截面尺寸（直径及壁厚）的选取十分关键；钢吊柱节点构造中，采用外环板与竖向加劲板，能满足荷载传递与构件连接的基本要求，但由分析可知，当两个或两个以上水平构件交汇成锐角，尤其当斜交角度小于45°时，应适当增加倒圆角半径（例如
R=50mm），以缓解应力集中现象。

参考文献：
[1] GB50017-2003 钢结构设计规范[S].国家标准，2003.
[2] 谢龙宝，潘毅刚等. 沧州体育馆铸钢支座节点有限元分析[J].钢结构，2009，10： 6- 9.
[3] 罗永峰，韦艳娜等. 重庆渝北体育馆铸钢节点有限元分析[J].结构工程师，2010，8：
52- 56.
[4] 张朝，陈华周等. 天津梅江会展中心铸钢节点有限元分析[J].钢结构，2010，11： 19- 22.。

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MIDAS_FEA_钢节点建模分析教程荣萌

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Step
00
概要
静力分析 模型
钢结构节点应力分析
- 单位 : N mm
- 各向同性弹性材料 - 实体单元 荷载和边界条件 - 压力 - 约束 输出结果 - 变形 - 应力
Step
01
分析 > 分析控制
操作步骤
– 控制 表单
3 1
1、分析类型 : [3D]
2、点击[确认]键 3、单位 : [N,mm] 点击[确认] 键
Step
04
几何 > 转换 > 平移
操作步骤
1、依次选择生成的平 面 2、选择两点向量的方 式，第一点选择平面的 中心，第二点选择坐标 原点。 3、间距处选择自动计 算 4、预览效果，无误后 点击确认 5、通过树形菜单删除 多余辅助曲线
注意：可采用添加辅助 线的方式找到平面的中 心位置
Step
05
16
分析 > 分析工况…
操作步骤
1、添加分析工况
2、输入分析工况名称
3、将定义好的荷载拖 放到对应的应用的菜单 下 4、点击确认
Step
17
分析>求解
操作步骤
1、定义划分单元的尺 寸 2、选择材料特性 3、选中需要划分网格 的实体，进行网格划分。
Step
18
树形菜单>后处理>3D单元应变/3D单元应力
几何 > 生成几何体 > 扩展
操作步骤
1、选择扩展形状，依 次选择前一步生成好的 平面 2、选择扩展方向 3、设置长度，如果沿 坐标轴反向扩展，勾选 反向即可，并勾选实 体，则生成实体模型 注意：扩展的时候可利 用树形菜单选择性的显 示想扩展的部分，方便 操作。
Step
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结果表明，粘钢加固减小了盖梁最大挠度，缩小了混凝土开裂范围，加固效果显著。

本文采用的Midas FEA有限元软件能方便有效地模拟粘钢加固，分析方法可以为同类加固工程的计算提供参考。

关键词：Midas FEA；粘钢加固；非线性分析Abstract: this paper, which is based on the actual reinforcement engineering, the finite element software to analyze capping beam glued steel reinforcement effect. The results show that the maximum deflection stick steel strengthening reduced the plate beam, narrowing the scope of the concrete cracking, reinforcement effect is obvious. In this paper, using the Midas FEA finite element software can effectively simulate the stick steel reinforcement, analysis method can provide a reference for similar calculation of the reinforcement engineering.Keywords: Midas FEA; Stick steel reinforcement; Nonlinear analysis1 概述某桥为跨径10m的简支板桥，全桥共13跨，桥面总宽18m，行车道宽16m，两侧人行道宽各1m。

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