大跨度车站雨棚铸钢节点的有限元分析

邓志勇，吴 龙，林美兰

（1.三明学院 机电工程学院，福建 三明，365004;2.三明学院 外国语学院，福建 三明，365004））

大跨度车站雨棚铸钢节点的有限元分析

邓志勇1，吴 龙1，林美兰2

（1.三明学院 机电工程学院，福建 三明，365004;2.三明学院 外国语学院，福建 三明，365004））

介绍了车站雨棚铸钢节点的分布和结构，分析了国内外铸钢节点的选材，通过节点模型的建立、材料属性的设置、网格划分、约束和不利工况下载荷的设置，运用有限元方法，对雨棚的典型铸钢节点进行了应力应变分析,得到应力应变云图和载荷分布规律。分析结果表明：在不利工况下，雨棚的铸钢节点应力小于铸钢材料的屈服强度要求，节点设计安全可靠，为节点的制造以及进一步的研究提供一些基础的依据。

铸钢节点；有限元；车站雨棚；应力;应变

随着建筑工程钢结构的发展，其跨度不断增大，结构形式的设计和应用越来越复杂，诸如螺栓球节点、钢管相贯节点、焊接空心球节点、焊接钢板节点等传统结构形式已经难以满足复杂的空间结构（尤其是大跨度空间结构）对机械性能和制造工艺的要求。铸钢节点具有优良的性能，它不仅结构形式多样、造型美观、空间设计自由度较大，而且具有适应性强、机械加工性能优良，残余应力小的优点。近年来，国内铸造工艺和相关技术发展较快，铸钢节点逐步取代了传统结构，并开始应用于火车站站台雨棚、大型体育馆、会展中心、博物馆和剧院等大跨度建筑结构的空间杆件连接中[1-3]。然而，国内目前的铸钢节点设计和标准还够不完善，有时还不能完全满足设计和施工要求，许多建筑工程应用中，仍需参照德国、美国等发达国家的相关产品标准，因此，有必要对复杂空间铸钢节点的应力应变进行有限元分析，从而保证铸钢节点设计的安全性和可靠性，为工程提供参照和验证[4-5]。

某车站雨棚钢结构总图如图1所示，雨棚总长约430.3 m，其中，用于支撑框架柱顶的中间段长度约为163.5 m，两侧段的长度约为133.4 m。雨棚采用了钢架拱和纵向系杆相结合的空间桁架钢结构。作为主要受力体系，钢架拱和纵向系杆均采用矩形截面。雨棚两侧的柱子设计为树形结构，柱子树形结构的相交点为铸钢节点，各铸钢节点分别沿钢结构纵向两侧对称布置。铸钢节点采用箱型构件，采用GS20Mn5材质（参照德国标准 DIN17182）

图1雨棚钢结构总图

由于空间跨度大，受力状况复杂，为了确保安全性和可靠性，在设计和施工时，铸钢节点须满足如下要求：

（1）各节点毛坯的误差须满足 GB/T 6414-1999《铸件尺寸公差与机械加工余量》中CT11级的要求；

（2）加工时，须对雨棚铸钢节点各铸件间的内壁和外壁进行适度的圆滑过渡，内外圆角的半径须满足CECS235-2008《铸钢节点应用技术规程》第5.0.6的要求，减少其应力集中现象；

（3）焊接时，铸钢节点各端口须在节点上留出焊接槽口，以便其与对应的钢管连接；

（4）选择焊接材料时，应使焊接接头的强度不低于母材的强度。

1 铸钢节点的有限元分析

1.1节点建模

选取典型的两个箱型铸钢节点GJ2和GJ6作有限元分析，两节点的模型如图2～3所示。图2和图3中，号码1～5为节点GJ2和GJ6所对应的端口号，其中，节点GJ2模型中的号码1～3对应其上端的3个端口，壁厚均为50 mm，截面积均为0.13 mm2，底部端口为该节点的埋件，该节点重量达3210 kg；节点GJ6模型中的号码4～5对应其上端的两个端口，壁厚均为50 mm，截面积均为0.13 mm2，底部端口为该节点的埋件，该节点重量达2430 kg。

图2 GJ2节点建模

图3 GJ6节点建模

1.2材料属性的设置及网格划分

在建筑工程中，选择用于制造节点的铸钢件材料时，须满足力学性能和焊接性能两个方面的要求。其钢材应具有屈服强度、抗拉强度、伸缩率和抗冲击性能以及碳、磷、硫的化学成分含量的合格保证，钢材的屈服强度实测值与抗拉强度实测值的比值不应大于0.85，钢材应有明显的屈服台阶，且伸长率不应小于20%，应有良好的可焊性和合格的冲击韧性。

目前，国内可用于铸钢节点的标准主要有CECS 235-2008《铸钢节点应用技术规程》[6]、GB/T 11352-2009《一般工程用铸造碳钢件》[7]和GB7659-2010《焊接结构用铸钢件》[8]。而国外在铸钢节点的选材、加工、制造和施工等方面经验比较丰富，并形成的详细的规范。如德国标准DIN 17182-1985、国际标准ISO 3755-1991、美国标准AN-SI/ASTMA-1993等，在这些规范当中，很多建筑工程是选用德国标准DIN 17182-1985中的GS-20Mn5，该标准严格控制碳、磷、硫的化学成分含量，能较好地满足工程对铸钢节点力学性能和焊接性能等方面的要求，而且欧标低合金铸钢G20Mn5V也符合国内CECS 235-2008《铸钢节点应用技术规程》附录表A.1.2-1和表A.1.2-2对焊接结构用铸钢化学成分和力学性能的要求，因此，选雨棚铸钢件材质为欧标低合金铸钢G20Mn5V，其热处理状态为调质。G20Mn5V的化学组成和机械性能如表1～2所示。

表1 G20Mn5V铸钢的化学成分含量

表2 室温下G20Mn5V铸钢的机械性能

根据CECS 235-2008铸钢节点应用技术规程的第3.2.1和3.2.3规定，将G20Mn5V可焊铸钢的屈服强度设定为235 MPa，设定物理性能弹性模量Es为 2.06×105MPa，泊松比μ为0.3，密度ρ为7850 kg/m3。有限元前处理时，选择Solid45为分析的实体单元时，该单元有6个面，8个结点，每个结点有3个自由度[9]。

节点的网格划分采用自由网格划分，自由网格划分不受实体模型几何机构限制要求，比较适合大型节点分析使用。GJ2节点和GJ6节点的网格划分如图4～5所示。

图4 GJ2节点网格划分

图5 GJ6节点网格划分

1.3约束和载荷的设置

根据施工要求，雨棚铸钢节点底部为埋件，故将埋件底部横截面设为约束。

雨棚钢结构受风压450 N/m2，雪压350 N/m2、活动载荷500 N/m2以及恒载荷1600 N/m2，根据雨棚空间分析结果及设计结构布置，分析在多种不同荷载组合对节点产生的工况下，选取一种对节点最不利的工况进行计算，计算出各铸钢节点在最不利工况组合下的各端口内力，该内力即为有限元分析中所施加给节点的荷载[1，10]。若将铸钢节点寿命按100年设计，验算铸钢节点强度时，作用在铸钢节点上的荷载内力值须乘一个安全系数，其值为1.1。GJ2节点和GJ6节点在不利荷载组合下，它们连接杆件的内力和面载荷如表3所示，GJ2节点和GJ6节点约束和载荷的设置如图6～7所示。

表3 连接杆件的内力和面载荷

图6 GJ2节点约束和载荷

图7 GJ6节点约束和载荷

2.4 有限元分析结果

GJ2节点的von Mises应力、1st Principal stress图、2st Principal stress图、3st Principal stress图以及位移矢量和分别如图8～12所示。

图8 von Mises应力图 单位/MPa

图9 1st Principal stress图/MPa 单位/MPa

图10 2st Principal stress图 单位/MPa

图11 3st Principal stress图 单位/MPa

分析云图表明，在选取的不利荷载组合作用下，GJ2节点的应力应变呈现出一定的规律性分布。其中，图8显示GJ2节点的埋件相贯处由于没有用圆角过度，出现红色标记的 von Mises应力最大值17.925 MPa，而埋件相贯部分之外的区域，随着与其距离的增大，von Mises应力值迅速降低。图9～11显示，GJ2节点3个方向主应力绝对值最大为21.370 N/mm2。上述4应力云图显示的应力最大值均小于铸钢材料的设计强度235 N/mm2，GJ2节点受力处于弹性工作状态，该具有较高安全储备。由图12位移矢量和可知，GJ2节点在受力过程中，GJ2节点位移矢量和的最大值为0.119mm，变形很小。计算表明GJ2节点在所选取的最不利荷载工况下设计安全。

图12 位移矢量和 单位/m

GJ6节点的von Mises应力、1st Principal stress图、2st Principal stress图、3st Principal stress图以及位移矢量和分别如图13～17所示。

GJ6节点与GJ2节点结构不同，上端只有两个接口，左右结构不对称，但其应力应变也具有规律性。其中图13显示von Mises应力最大值18.998 N/mm2出现在GJ6节点中部相贯处存在应力集中，其他部位应力数值较小，图14～16显示，GJ6节点3个方向主应力绝对值最大为22.369 N/mm2。这4个应力云图显示的应力最大值均小于铸钢材料的设计强度235N/mm2，GJ6节点受力处于弹性工作状态，未达到塑性，该节点具有较高安全储备。由图17位移矢量和可知，GJ6节点在受力过程中，GJ6节点位移矢量和的最大值为0.151 mm，变形很小。计算表明在所选取的不利荷载工况下，GJ6节点设计安全可靠。

图13 von Mises应力图 单位/MPa

图14 第一主应力图 单位/MPa

图15 第二主应力图 单位/MPa

图16 第三主应力图 单位/MPa

图17 位移变形图 单位/m

2 结论

运用有限元方法分析了在不利工况下铸钢节点的力学性能，分析结果表明铸钢节点应力应变数值很小，不仅小于铸钢材料的屈服强度，并且还有相当多的承载富余力，节点设计安全可靠，能满足雨棚空间建筑对节点在刚度和强度等方面的要求。分析中发现，在铸钢节点的结构相贯交叉处容易出现应力集中现象，为了进一步提高其力学性能，可对节点相贯交叉处进行倒圆弧过度。

［1］张朝，陈华周，钱焕，等．天津梅江会展中心铸钢节点有限元分析［J］．钢结构，2010，25（11）：19-22．

［2］罗永峰，韦艳娜，贾宝荣，等．重庆渝北体育馆铸钢节点有限元分析［J］．结构工程师，2010，26（4）：52-56．

［3］李青山，张国梁，马宝森．钢节点的发展历程与新型节点的探索［J］．甘肃科技纵横，2007，36（3）：112．

［4］许兰兰，赵福令．某车站雨棚铸钢节点有限元分析［J］．钢结构，2010，25（139）：23-24．

［5］蔡恩倍．高铁客站无站台柱雨棚设计中的新技术［J］．建筑设计管理，2010，27（163）：55-58．

［6］CECS 235-2008铸钢节点应用技术规程［S］．

［7］GB／T 11352-2009一般工程用铸造碳钢件［S］．

［8］GB7659-2010焊接结构用铸钢件［S］．

［9］李潇潇．沧州体育场钢结构屋盖铸钢节点有限元分析［J］．钢结构，2013，28（177）：36-38．

［10］罗尧治，余佳亮．北京北站站台大跨度张弦桁架雨棚设计研究［J］．钢结构，2013，34（1）：35-42．

（责任编辑：朱联九）

Finite Element Analysis on Cast Steel Node in the Large-span Canopy of Station

DENG Zhi-yong1,WU Long1,LIN Mei-lan2

(1.School of Mechanical and Electrical Engineering,Sanming University,Sanming 365004,China) (2.School of Foreign Languages College,Sanming University,Sanming 365004,China)

The distribution and structure of cast steel nodes in the canopy of station are introduced and material selection for steel nodes in domestic and foreign are analyzed in this paper.Based on the establishment of two typical node models,the setting of the material properties,the meshing of the models,and the setting of constraints and loads in unfavorable conditions,the nodes of canopy are analyzed by the finite element method and the stress-strain diagrams and load distribution are got.The results showed that the stress of cast node are smaller than the yield stress of material strength requirements of the canopy steel even in adverse conditions,the cast steel nodes designed are safe and reliable,so as to provide some basic references for the manufacture of steel nodes and further research.

steel nodes;finite element;station canopy;stress;strain

TU393．302

A

1673-4343（2014）04-0059-06

10．14098／j．cn35－1288／z．2014．04．011

2013-12-08

三明学院科研基金项目（CB201003／Q）

邓志勇，男，福建建瓯人，助教。研究方向：机械结构与安全。