深圳大运会游泳馆结构柱脚受力性能的有限元分析

第12卷第3期 2010年6月 建 　筑 　钢 　结 　构 　进 　展 Progress in Steel Building St ructures Vol. 12 No. 3 　J un. 2010 收稿日期 :2009 - 03 - 05 ;收到修改稿日期 :2009 - 06 - 26 作者简介 : 尧国皇 (1980 - ) ,男 ,博士 ,工程师 ,主要从事钢2混凝土组合结构设计与研究 ;超高层建筑结构设计与研究 ;大跨度建筑结构设 计与研究 ;建筑结构抗震设计与研究。E2mail :yaogh @szmedi. com. cn。 谭 　伟 (1974 - ) ,男 ,硕士 ,工程师 ,主要从事超高层建筑结构设计与研究 ;大跨度建筑结构设计与研究。 深圳大运会游泳馆结构柱脚受力性能的有限元分析 尧国皇1 ,2 ,谭　伟3 ,施永芒3 ,黄用军3 (1 . 清华大学 土木工程系 ,北京　100084 ; 2. 深圳市市政设计研究院有限公司 ,广东 深圳　518029 ; 3. 中建国际 (深圳) 设计顾问有限公司 ,广东 深圳　518048) 摘　要 : 　本文采用通用有限元软件 ABAQUS对深圳大学生运动会游泳馆结构柱脚的受力性能进行了有限元分析 ,着重 分析了上部铸钢节点各部件之间的接触关系和下部混凝土承台应力状态 ,获得了铸钢节点的应力状态和各部件 之间的接触压应力以及下部混凝土承台内配钢筋、内置型钢和混凝土的应力状态 ,对不同工况进行了计算分析。 研究结果表明 ,深圳大学生运动会游泳馆柱脚的设计是安全可靠的。本文的有关方法可为相关工程提供参考。 关键词 : 　铸钢节点 ; 球铰式节点 ; 有限元分析 ; 接触 ; 设计 中图分类号 : TU 393. 3 　　　　　文献标识码 : A 　　　　　文章编号 : 1671 - 9379 (2010) 03 - 0014 - 05 FEM Analysis on the Column2Base of the Swimming Complex of Shenzhen Universiade Sport Center YA O Guo2huang1 ,2 , TA N W ei3 , S H I Yong2m ang3 , H UA N G Yong2j un3 (1. Departmeng of Civil Engineering , Qinghua University , Beijing 100084 , China ; 2. Shenzhen Municipal Design & Research Institute Co. , L td , Shenzhen 518029 , China ; 3. China Const ruction (ShenZhen) Design International , Shenzhen 518048 , China) YAO Guo2huang :yaogh @szmedi. com. cn Abstract :　The FEM ( Finite Element Method) analysis of the column2base of the swimming complex of Shenzhen Universiade Center was carried out by FEM package ABAQUS , which focused on the contact relations between different part s of the cast2steel joint and st ress states of concrete bed for the column base. The st ress state of t he cast2steel joint and the contact st ress between different part s of the cast2steel joint and reinforcing steel bar , encased steel in concrete holding base were attained. According to the analysis result s , t he safety of the column2base was evaluated. The method mentioned in this paper may be referred by relevant project s. Keywords :　cast2steel joint ; articulated joint ; FEM analysis ; contact ; design 　　“深圳大学生运动会体育中心”位于深圳市龙岗区奥 体新城的核心地段 ,游泳馆项目为 2011 年世界大学生运 动会水上项目的分会场 ,负责承办水球比赛项目。游泳 馆上部屋盖为大跨空间折面结构 ,由七个相同的结构单 元组成 ,平面尺寸为 92m ×176m ,下部为混凝土框架2剪 力墙结构 ,平面尺寸为 130m ×230m ,图 1 所示为该游泳 馆建筑效果图。 整个屋盖结构共有 14 个支座 ,屋盖结构坐落在标高 5m 的混凝土结构上。为了将上部钢结构荷载安全传递 到混凝土结构中 (混凝土柱及剪力墙) ,设计中采用了球 铰节点支座 ,所有的支座都将在竖直方向 ,以及水平方向 进行平动约束。柱脚的三维模型如图 2 所示。由于柱脚 节点荷载较大且是受力复杂的关键部位 ,其可靠设计直 接关系到整个结构的安全。铸钢节点是近年来随着大跨 空间桁架结构体系发展起来的一种新型的结构节点形 式 ,具有受力明确、直接、承载力大的特点 ,减少了节点 板、节点球的次应力对结构内力的影响 ,可在工厂内整体 浇铸 ,具有良好的适应性 ,可根据建筑需要生产出具有复 第 3 期 深圳大运会游泳馆结构柱脚受力性能的有限元分析 　　 杂外形和内腔的节点。因其优越的性能 ,在国外已经广 泛应用于大跨空间桁架钢结构中的重要节点 ,在国内也 在逐步推广应用 ,如广州会展中心[1 ] 、重庆江北机场[2 ] 和 北京奥运会老山自行车馆[3 ]等大跨空间结构[ 4～9 ] 。 图 1 　深圳大运会游泳馆建筑效果图 图 2 　柱脚三维模型 　　因此 ,柱脚钢结构节点采用球铰式铸钢节点 ,由上部 铸钢节点和下部混凝土承台组成。铸钢节点主要由上部 盆形铸件和下部的蘑菇型铸件组成 ,详细的描述可参考 文献[3 ] 。铸钢节点通过 18 个预应力锚栓固定于混凝土 承台之上 ,在混凝土承台中配置了三向钢筋网和型钢 ,提 高柱脚抗拔和抗剪承载力 ,并增强上部铸钢节点与下部 混凝土承台的整体工作性能。然而 ,目前对这种铸钢节 点和下部复杂构造的混凝土承台的力学性能分析和承载 力校核还没有明确的依据 ,为了确保结构的安全可靠 ,采 用通用有限元软件 ABAQUS 对大运会柱脚进行有限元 分析。为了便于分析 ,将柱脚分为上部铸钢节点和下部 混凝土承台两部分分别进行有限元分析 ,以下分别论述 分析过程和结果。 1 　上部铸钢节点分析 1. 1 　有限元模型的建立 对于复杂的三维实体模型 ,直接采用 ABAQUS 软件来 建模 ,效率较低 ,通常土木工程技术人员都采用 AutoCAD 软 件来进行实体建模 ,AutoCAD 软件也是大部分土木工程人 员熟悉的软件。AutoCAD 建模后直接导入 ABAQUS 软件 中进行分析。铸钢的材料弹性模量为 206000MPa ,泊松比为 0. 3。 铸钢节点采用 C3D4 单元。采用有限元法分析结构 , 首先需要对所研究的结构进行离散化 ,在结构离散化时 应结合网格实验确定合理的网格密度。单元网格采用细 分网格的网格实验方法 ,确定合适的网格。 在上部盆形内凹面和球形凸帽表面分别定义一个接 触面 ,接触面之间采用库仑摩擦模型[10 ] 来模拟铸钢之间 界面切向力的传递 :界面可以传递剪应力 ,直到剪应力达 到临界值τcrit ,界面之间产生相对滑动 ,此处计算中采用 一个允许“弹性滑动”的罚摩擦公式 ,在滑动过程中界面 剪应力保持为τcrit不变 ,钢管与核心混凝土界面摩擦系数 取为 0. 1 ,接触面法线方向采用“硬接触”[10 ] 。上部管节 点和球形凸帽的接触面界面模型建立时 ,采用软件中 Contact Pair 命令 ,并利用元素集合 ,定义钢管和混凝土 各自接触面 ,并设置其有交互作用 (交互作用的性质按上 述描述进行设置) ,来模拟接触面分离及摩擦行为 ,并且 定义为 Small Sliding 现象。 定义接触面后 ,需确定接触面之间的主从关系 ,确定 原则为[10 ] : (1) 材料相对较软的材料定义为从面 ; (2) 当 两个接触面的材性相同时 ,从面的网格应该划分更精细 , 以避免主面单元节点的入侵。由于材性相同 ,因此将网 格划分更细上部管节点内凹面为从属表面 ,凸帽上表面 为主控表面。在有限元分析过程中 ,在铸钢节点底部施 加固定边界条件 ,在上部钢管上施加荷载 ,图 3 给出了上 部铸钢节点有限元分析模型。计算时 ,采用位移加载方 式 ,并采用增量迭代法求解非线性方程。 图 3 　铸钢节点有限元模型 51 　　　 建 筑 钢 结 构 进 展 第 12 卷 　 1. 2 　分析结果 考虑到大运会游泳馆结构柱脚的实际受力特点 ,一 种是竖向荷载和水平荷载均比较大 ;另一种是竖向荷载 较小、水平荷载较大 ,且以上情况均出现在 1 . 2 D (恒载) + 1 . 4L (活载) + 0 . 72 T (温度) 的荷载组合。因此 ,共进 行了两种工况的分析计算。限于篇幅 ,本文仅以两种工 况下最不利受力情况下的分析结果论述。表 1 给出了两 种工况下最不利内力的数值。 表 1 　柱脚最不利内力设计值 工况 杆件号 P/ kN V 2 / kN V 3 / kN 工况一 250 - 371. 8 - 57. 8 21. 8 257 - 12534. 4 - 60 147. 4 259 - 1467. 5 - 79. 6 - 127 工况二 755 7522. 2 - 195. 01 20. 7 762 - 11926. 9 - 1. 8 210. 2 764 - 607 - 32. 8 - 161. 93 　　图 4 给出了铸钢节点变形情况的计算结果 ,由图可 见两种情况的变形规律基本相同 ,最大变形均出现在加 载端 ,节点底部的变形都在 0. 8mm 以内。图 5 给出了上 部管节点和球冠的 Mises 屈服应力云图的计算结果。从 图 5 可见 ,对于工况一 ,上部管节点最大应力出现在受力 最大的支管上 ,最大应力为 100. 1MPa ,下部球冠最大的 应力出现在短的圆柱上 ,最大数值为 141. 4MPa ;对于工 况二 ,上部管节点最大应力出现在受力最大的支管上 ,最 大应力为 95. 4MPa ,下部球冠最大的应力也出现在短的 圆柱上 ,最大数值为 80. 7MPa。整个铸钢节点的 Mises 应力均低于铸钢材料的屈服强度值。 图 6 给出了以上两种工况下上部管节点和球形凸帽 的接触面之间的接触压应力云图。可见 ,对于工况一 ,最 大的接触压应力为 86. 05MPa ;对于工况二 ,最大的接触 压应力为 39. 49MPa ,均小于铸钢的屈服强度。 以上的分析结果表明 ,整个铸钢节点的应力小于材 料的屈服强度 ,部件之间的接触压应力也小于材料的屈 服强度 ,因此 ,上部铸钢节点的设计是安全的。 61 第 3 期 深圳大运会游泳馆结构柱脚受力性能的有限元分析 　　 图 6 　接触面之间的接触压应力云图 2 　下部混凝土承台分析 2. 1 　有限元模型的建立 下部混凝土承台也采用 AutoCAD 软件来进行实体建 模。为了更好地施加上部铸钢节点传递来的荷载 ,在混凝 土承台上设置一刚性加载块(如图 7(a) 所示) ,其弹性模量 设为 1012 MPa ,泊松比为 0. 001。刚性加载块与混凝土承 台用 ABAQUS中 Tie 命令连接 ,不考虑滑移。承台内配置 的型钢和钢筋采用 ABAQUS 软件中的 Embedded Region 命令将其嵌入混凝土承台中 ,不考虑型钢与混凝土之间的 滑移。 内配型钢和钢筋钢材的材料弹性模量为 206000MPa , 泊松比为 0. 3 ;混凝土采用 C30 ,其材料弹性模量按《混凝 土设计规范》( GB 5001022002) 中取值 ,弹性阶段泊松比取 为 0. 2。型钢采用 C3D8R 单元 ,钢筋采用 Truss 单元 ,混凝 土承台采用 C3D4 单元。在有限元分析过程中 ,在承台底 部施加固定边界条件 ,在上部施加荷载 ,图 7 给出了混凝 土承台有限元分析模型。计算时 ,采用位移加载方式 ,并 采用增量迭代法求解非线性方程。 2. 2 　分析结果 与分析上部铸钢节点一样 ,本节分析了两种不同受 力工况下的受力性能 ,将表 1 中的上部铸钢各支管的荷 载转换到下部混凝土承台上 ,通过承台上一刚性加载块 施加外荷载。图 8 给出了下部混凝土承台变形情况的计 算结果 ,可见两种情况下的变形规律基本相同 ,最大变形 均出现在上部铸钢节点与下部混凝土相接部位 ,最大变 形都在 1mm 左右。 图 9 给出了混凝土承台内配钢筋的应力云图 ,可见 , 两种情况下钢筋的应力分布规律基本相同。对于工况 一 :内部箍筋最大 Mises 应力为 9. 23MPa ,外部箍筋最大 Mises 应力为 6. 7MPa , 竖向钢筋最大 Mises 应力为 16. 7MPa ;对于工况二 : 内部箍筋最大 Mises 应力为 9. 22MPa ,外部箍筋最大 Mises 应力为 8. 32MPa ,竖向钢 筋最大 Mises 应力为 17. 5MPa ,以上应力均远小于钢筋 的屈服强度。 图 10 给出了两种情况下 ,混凝土承台内置型钢的 Mises 应力云图 ,可见 ,中部型钢的应力较大 ,且工况二对 应的型钢中高应力区域范围更大些。从图 10 应力云图 的数值来看 ,高应力也基本在钢材屈服强度 345MPa 以下。 同时关注了下部混凝土承台中混凝土的应力分布情 况 ,两种工况下混凝土的应力分布规律和数值基本相同 , 图 11 给出了工况一情况混凝土承台应力的切片云图 ,混 凝土应力扩散到一定区域后 ,便不再扩散。 从以上分析结果可见 ,整个混凝土承台内配钢筋、内 置型钢和混凝土的应力均小于材料的强度 ,因此 ,下部混 凝土承台的设计是安全的。 图 7 　混凝土承台三维模型 71 　　　 建 筑 钢 结 构 进 展 第 12 卷 　81 第 3 期 平端板连接半刚性梁柱组合节点的设计方法建议 　　 作用在连接处的剪力 V = 150kN ,钢梁腹板内的平均 竖向剪应力 :τx y = Vh bt bw = 89. 29N ·mm - 2 钢梁腹板的实际屈服强度 : f′y , bw = f 2y , bw - 3τ2x y = 274. 43N ·mm - 2 经过计算 ,可知该组合节点的塑性中和轴位于上部 第三排螺栓内 ,第三排螺栓处于部分受拉状态。由此 ,可 得钢梁腹板的受压区高度 x c, bw = 70mm 第三排螺栓实际承受的拉力为 : Fbo, o, a = Fc, j + xc, bw t bw f′y , bw - Fr - Fbo, o - Fbo, i = 50. 73kN 　　受压中心至钢梁下翼缘中心的距离为 : dc = x c, bw t bw f′y , bw ( x c, bw + tbf ) 2 ( x c, bw t bw f y , bw + Fc, j) = 12. 42mm 　　(6) 计算组合节点的抗弯承载力 M u = Fr ( l r - dc) + Fbo , o ( l1 - dc) + Fbo , i ( l2 - dc) + Fbo , o, a ( l3 - dc) = 99. 17kN ·m 　　由于 M u > M d ,因此满足设计要求 ,设计结束。 4 　 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 本文给出了这种节点的设计方法和建议 ,并通过一个 算例说明了该方法的应用。本文建议的平端板连接半刚 性梁柱组合节点的设计方法思路简单 ,原理明确 ,过程清 晰 ,计算结果可靠 ,可为我国相应规范的修订提供参考。 参考文献 : [ 1 ] 　陈惠发 (著) ,周绥平(译) . 钢框架稳定设计 [ M ] . 上海 :世界 图书出版社 ,1999. [ 2 ] 　何天森 ,李国强. 平端板连接组合节点性能研究 [J ] . 建筑钢 结构进展 ,2004 ,6 (4) :43249. [ 3 ] 　孙飞飞 ,李国强. 梁柱组合节点的试验研究新进展 [J ] . 建筑 钢结构进展 ,2004 ,6 (2) :37242. [ 4 ] 　肖勇. 组合节点和框架的分析与设计 [J ] . 建筑钢结构进展 , 2002 ,4 (3) :13219. [ 5 ] 　陈绍蕃. 钢结构稳定设计的新进展 [ J ] . 建筑钢结构进展 , 2004 ,6 (2) :1213 . [ 6 ] 　石文龙. 平端板连接半刚性梁柱组合节点的试验与理论研究 [ D] . 同济大学 ,2006. [ 7 ] 　钢结构设计规范( GB 5001722003) [ S] . [ 8 ] 　门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 (CECS 102∶98 ) [ S] . [ 9 ] 　李国强 ,石文龙 ,王静峰. 半刚性连接钢框架结构设计 [ M ] . 北京 :中国建筑工业出版社 ,2009. [ 10 ] 　Swanson J . A. ,Leon R. T. . Stiffness Modeling of Bolted T2 Stub Connection Component s [ J ] . Journal of St ructural Engineering ,2001 ,127 (5) :4982505. (上接第 18 页) 图 11 　混凝土承台应力切片云图 3 　结论 本文采用通用有限元软件 ABAQUS 对深圳大学生 运动会游泳馆结构柱脚的受力性能进行了有限元分析 , 着重分析了上部铸钢节点各部件之间的接触关系和下部 混凝土承台应力状态 ,获得了铸钢节点的应力状态和各 部件之间的接触压应力以及下部混凝土承台内配钢筋、 内置型钢和混凝土的应力状态 ,分析结果表明 ,柱脚设计 是安全可靠的。 注 :本文研究工作为第一作者在中建国际 (深圳) 设计顾问 有限公司完成。 参考文献 : [ 1 ] 　卞若宁 ,陈以一 ,赵宪忠 ,等. 空间结构大型铸钢节点试验研 究[J ] . 建筑结构 ,2002 ,32 (12) :45247. [ 2 ] 　戴国欣 ,李万伟 ,邢世建 ,等. 重庆江北国际机场新航站楼大 跨钢桁架铸钢节点性能研究 [ J ] . 建筑结构学报 , 2005 , 26 (4) :70275. [ 3 ] 　赵宪忠 ,王冠男 ,陈以一 ,等. 北京奥运会老山自行车馆柱脚 铸钢节点试验研究[J ] . 建筑结构学报 ,2008 ,29 (1) :10215. [ 4 ] 　赵宪忠 ,沈祖炎 ,陈以一. 建筑用铸钢节点设计的若干关键问 题[J ] . 结构工程师 ,2009 ,25 (4) :11218. [ 5 ] 　谢龙宝 ,潘毅刚 ,冷冬梅 ,李洪求. 沧州体育馆铸钢支座节点 有限元分析[J ] . 钢结构 ,2009 ,24 (10) :629. [ 6 ] 　丁阳 ,张向荣 ,王志远 ,鲍春晓 ,李忠献. 天津奥林匹克中心体 育场铸钢节点试验研究 [ J ] . 建筑结构学报 , 2008 , 29 ( 5) : 8212. [ 7 ] 　王朝波 ,赵宪忠 ,陈以一 ,沈祖炎. 上海铁路南站外柱异形铸 钢节点承载性能研究[J ] . 土木工程学报 ,2008 ,41 (1) :18223. [ 8 ] 　蔡建国 ,冯健 ,顾洪波 ,宗钟凌. 大型铸钢节点的工程应用和 分析[J ] . 钢结构 ,2008 ,23 (4) :13217. [ 9 ] 　尧国皇 ,谭伟 ,张进军 ,叶成浩. 惠阳体育会展中心上部钢结 构设计[J ] . 钢结构 ,2009 ,24 (4) :32237. [ 10 ] 　Hibbitt , Karlson , Sorenson. ABAQUS Version 6. 7 : Theory manual , users’manual , verification manual and example problems manual[ M]. Hibbitt , Karlson and Sorenson Inc , 2007. 13