塔樓-信號塔節點強度分析

小石頭stones

2021年8月23日 16:48

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塔樓-信號塔節點強度分析的圖1

本工程為某信號塔結構設計，結構的結構設計等由MIDAS軟件完成，并在MIDAS中完成基于桿件的整體力學性能分析，后參照MIDAS結果針對典型位置受力較大，連接桿件較多且復雜的部位，進行節點的有限元分析，以考察節點處的應力，保證結構的連接滿足承載力要求。

1 荷載的提取

對這些節點進行有限元計算，以其中結構特點受力重要的節點進行分析，其余節點與此類似。因此，取其中最不利荷載組合工況下提取構件的內力施加至桿件端部，在各種工況中進行對比，風荷載為主要控制荷載。因此，取其中最不利荷載工況詳見表1所示，表2給出了該工況下單元內力。

表1荷載組合列表

組合工況	荷載組合
gLCB180	1.3(D) + 1.5(0.7)(1.0)(L) - 1.5FDW153 + 1.5(0.65)T1

注：節點處各構件的內力從MIDAS 模型中提取，gLCB180工況中D表示恒載，L表示樓面活荷載，L_R表示屋面活荷載，FDW153表示風洞試驗荷載，T₁表示溫度荷載作用。

表2 gLCB180工況：1.3(D) + 1.5(0.7)(1.0)(L) - 1.5FDW153 + 1.5(0.65)T1下單元內力

構件編號	軸向 (kN)	剪力-y (kN)	剪力-z (kN)	扭矩 (kN*m)	彎矩-y (kN*m)	彎矩-z (kN*m)
TZ1	-13227.38	-56.56	104.46	5.42	154.82	-128.02
TZ2	-5311.44	-78.62	-346.05	-0.89	775.84	116.05
XG1	-2696.67	24.88	-9.78	-6.28	-31.20	81.44
XG2	1469.75	-22.65	-4.83	-2.23	10.05	-66.30
XG3	-1004.64	12.76	1.57	-5.61	1.31	-53.69
XG4	-3802.85	-9.07	-6.62	3.74	27.46	51.91
HG1	-8744.67	-81.73	-72.93	29.41	-242.06	-224.67
HG2	-8177.67	95.32	-306.39	-46.64	645.79	-243.55
ZC1	-2293.72
ZC2	-3669.57
ZC3	-2852.72

注：構件應力的正負號規定與單元內力符號規定相同。但在彎矩作用下截面上產生應力時，則以受拉為正、受壓為負來規定其符號。輸出的內力是以箭頭指向為正（+），如圖1所示。

圖1各桿命名及單元坐標系、單元內力（或應力）符號規定

2 計算原則

節點的設計與細部構造應按照“強節點–弱構件” 的原則進行。在各個水準的荷載條件作用下，所有節點最好保持在彈性或接近彈性范圍內工作，在節點焊縫附近要避免過高的應力集中以防止脆性斷裂破壞。

3材料本構

鋼材的材料本構模型，采用理想彈塑性模型進行模擬，Von Mises 應力準則判斷模型應力分析結果是否滿足材料強度的標準。考慮大撓度，力和位移收斂準則，增量迭代法、線性搜索、自適應下降、自動時間步來加快收斂速度。。結構用鋼構件在材料選取上主要需考慮兩方面的問題:1) 滿足結構的受力性能；2) 材料具有良好的塑性、韌性和可焊性。表35給出了鋼材的物理性能指標，表36為 Q345-B強度設計值。

表1鋼材的物理性能指標

鋼材種類

彈性模量E

(N/mm²)

剪切模量G

(N/mm²)

線膨脹系數

（1/℃）

質量密度

(kg/m³)

鋼材和鑄鋼

2.06×10⁵

0.79×10⁵

1.20×10^-5

7.85×10³

表2 Q345-B 鋼材的強度設計值

鋼材牌號	壁厚	抗拉、抗壓和抗彎 f	抗剪 f_v	端面承壓（刨平頂緊） f_ce	鋼材名義屈服強度 f_y	抗拉強度f_u
Q345	≤16	305	175	400	345	470
16~40	295	170	335
40-63	290	165	325

4 加載點空間坐標定義

圖2 15節點所在塔段位置

5荷載及邊界條件

通過建立整體模型，按實際施荷方式將荷載作用于整體模型，建立局部模型（殼單元）并與整體模型的相應節點耦合使荷載作用于局部模型，施荷方式及有限元網格見下圖3。

圖3 通過節點耦合施加荷載

6有限元計算結果

采用四邊形縮減積分殼單元S4R模擬，考慮幾何非線性。塔樓-信號塔節點強度分析的圖18 由計算云圖可知該節點在設計gLCB180工況下，節點應力符合設計要求，應力值為371.3Mpa，最大應力區域主要出現在支管與主管相貫線位置局部范圍，兩側橫桿受反向彎矩作用，橫桿腋處應力分布出現最大值，詳見圖5。故應對該節點采取加強措施，對節點區進行加強，以保證強節點的設計要求。

圖4 N113應力云圖-殼單元

7有加勁板計算結果

按照”強節點–弱構件”的設計原則，對節點區進行加強，采用內加勁的方式，在不影響美觀的前提下，將加肋板設置于橫桿、斜桿與主管相交位置處，使加肋板與外支管的管壁內外對應。《GB50017-2017鋼結構設計規范》要求：；節點需滿足抗彎連接要求時，應設2 道加勁板；加勁板中面宜垂直于主管軸線；當主管為圓管，設置1 道加勁板時，加勁板宜設置在支管與主管相貫面的鞍點處，設置2 道加勁板時，加勁板宜設置在距相貫面冠點0. 1D附近，D為支管外徑；同時加勁板厚度不得小于支管壁厚，也不宜小于主管壁厚的2/3 (20mm)和主管內徑的1/40 (28.5mm)；加勁板中央開孔時，環板寬度與板厚的比值不宜大于15ξ_U，即12.4；綜合規范要求、節點構造及施工條件等，故布置四道加勁肋，從下至上依次布置于下斜桿相貫面鞍點、受彎橫桿相貫面兩冠點及上斜桿相貫面鞍點附近；選擇環形加勁板尺寸為寬度150mm,厚度30mm,寬厚比為5。加勁板布置如圖6所示

如圖7所示，根據節點的Von Mises 應力分布可知，在設計荷載下該節點的加肋方案最大應力值為291.7Mpa，整個節點板區域均處在屈服強度(335MPa) 以下，最大應力值出現在橫桿腋處。