1、1加强环板式节点有限元分析摘要：本文采用有限元软件 ANSYS 对加强环板式节点进行仿真分析，通过对节点在各个荷载工况作用下的分析，获得型钢骨架、上下环板和混凝土压应力水平，从而对节点安全性进行评价，并验证设计的合理性。关键词：有限元 加强环板式节点 仿真分析 型钢骨架 中图分类号：TP 文献标识码： A 文章编号： 本次仿真分析以某车站大型空间框架结构为背景，采用有限元软件MIDAS CIVIL 建立空间板梁模型，进行整体分析，进而选取典型节点，采用板单元和实体单元建立有限元模型，进行局部分析。选取节点纵、横梁采用型钢混凝土结构，立柱采用钢管混凝土结构。纵、横梁在立柱节点处梁高 3.0m，中
2、部梁高 2.5m，采用 C60 混凝土；立柱节点处直径2.0m，采用 C50 混凝土。 图 1-1 MIDAS 空间板梁结构整体模型 1.1 有限元仿真 节点细部计算采用大型有限元分析软件 ANSYS 进行局部分析。建模时混凝土采用 SOLID65 单元模拟，钢筋采用 LINK8 单元模拟，纵横梁钢骨架和立柱钢管采用 SHELL181 单元模拟。纵、横梁混凝土采用 C60，立2柱混凝土采用 C50，普通钢筋采用 HRB335，纵、横梁和立柱型钢骨架采用 Q345，混凝土材料采用多线性等向强化模型 MISO，钢材采用双线性等向强化模型 BISO。型钢骨架部分，纵横梁上下翼缘板厚 50mm，纵横梁
3、腹板板厚 40mm，立柱钢管壁厚 50mm，上下加强环板厚 50mm，钢管内部环向加劲肋厚 40mm，节点纵向加劲肋板厚 30mm。建立有限元模型如图 1-2 所示。 图 1-2(a)节点有限元模型 图 1-2(b)刚性骨架有限元模型 图 1-2(c)节点钢筋有限元模型 图 1-2(d)节点内部结构细部图 钢筋混凝土有限元模型采用分离式结构，不考虑钢筋和混凝土之间的相对滑移，通过共有相同节点来实现相互之间的连接；纵、横梁型钢骨架上下翼缘设置剪力钉，来实现型钢骨架和混凝土之间力的传递，模型中通过型钢骨架和混凝土共用节点来模拟；立柱钢管在节点内部设置加劲板，混凝土受立柱环箍效应，处于三向受压状态，
4、因此，不考虑混凝土和钢管之间的相对滑移；纵横梁纵向受力钢筋焊接在上下环板上，有限元模型通过 CP 命令，建立耦合方程，实现钢筋和环板之间的连接。 1.2 模型分析 由于结构的多线列车活载的特殊性，工程在结构检算时，采用荷载包络设计的思路，简化组合类型。结构检算主要是在主力包络或主+附包3络状态下进行。Midas 提取荷载组合内力见表 1-1 所示。 方便施加荷载描述，将荷载工况进行如下定义： 工况一：主力包络最小荷载组合； 工况二：主力包络最大荷载组合；工况三：主+附包络最小荷载组合；工况四：主+附包络最大荷载组合； 表 1-1MIDAS 单元内力提取 图 1-3 MIDAS 单元内力提取标示
5、图 1-4 ANSYS 有限元模型边界 1.3 结论 采用 ANSYS 对立柱节点在主力包络最小荷载工况、主力包络最大荷载工况和主+附包络最小荷载工况、主+附包络最大荷载工况作用下，进行有限元非线性分析计算，提取工况 1、工况 2、工况 3、工况 4 作用下纵横梁混凝土轴向压应力、纵横梁钢筋轴向应力、纵横梁型钢 Von-Mises应力、立柱混凝土轴向压应力、立柱钢管 Von-Mises 应力和节点上下加强环板 Von-Mises 应力。具体各个工况下结构的应力见表 1-2 所示。 表 1-2 各个荷载工况组合结构各部分应力提取结果汇总 （单位：MPa） 根据计算分析结果，对结构的安全性做出评价
6、，主要结论如下： 4通过分析立柱节点在工况 1、工况 2、工况 3 和工况 4 荷载组合作用下结构的应力，纵横梁混凝土最大压应力为 20Mpa；纵横梁型钢骨架最大Von-Mises 应力为 154Mpa；纵横梁纵向受力钢筋最大轴向应力为114Mpa；立柱混凝土最大轴向压应力为 13Mpa；立柱钢管最大 Von-Mises应力为 179Mpa；节点上下加强环板最大 Von-Mises 应力为 113Mpa，因此，该立柱结构节点安全性可以得到保证； 立柱节点在四个荷载工况作用下的分析表明：结构在工况 3 和工况4 荷载组合作用下，即主+附包络荷载组合作用下，结构的整体应力水平和最大应力水平均比工况
7、 1 和工况 2 荷载组合作用下结构的整体应力水平和最大应力水平高，说明立柱节点结构的安全性设计主要由工况 3 和工况 4 控制； 在工况 4 荷载组合作用下，纵梁杆件 312257 为拉杆，造成纵梁结构在节点根部斜截面出现开裂，横梁杆件 305962 轴向压力 433kN，在弯矩作用下，造成横梁结构在节点根部斜截面出现开裂；混凝土斜截面开裂，使得纵横梁型钢腹板应力增大，在工况 4 荷载组合作用下，纵梁型钢腹板最大 Von-Mises 应力为 154Mpa。 在工况 3 和工况 4 荷载组合作用下，立柱节点根部应力偏大，最大Von-Mises 应力达到 179Mpa，建议钢管内部环板加密，使钢管应力更加均匀。 参考文献 1. 王新敏.ANSYS 工程结构数值分析人民交通出版社，2007. 2.杨成臣，钢管混凝土柱外加强环式节点受力性能研究， 【武汉理工5大学硕士学位论文.武汉:武汉理工大学，2007. 作者简介： 张鹏举（1983-） ，男，助理工程师，2011 年毕业于西南交通大学桥梁与隧道工程专业，工学硕士
