裙房拱架结构拱脚节点方案有限元对比分析

罗仲伟

【摘要】本文针对某实际工程裙房拱架结构的拱脚节点运用ANSYS进行了不同节点方案的对比分析，并确定了节点钢箱采取的方案。

【关键词】拱架结构；节点有限元分析；方案对比

1、工程概述

某工程裙房采用了带拱架转换的框架结构体系。拱架位于裙房南北两侧，跨度为28.15m和27.15m，拱架最大高度9m，矢跨比约为1/3。拱架吊柱位于三层～屋面以上，约17m高。结构三维分析模型示意图见图1。

拱肋、支承柱、下弦拉梁三者之间的连接主要通过以交点为中心设置的一个节点“钢箱”，內浇筑混凝土，形成传力的过渡区。在拱脚、柱、拉杆梁相交节点处，相交杆件较多，受力情况复杂，有必要进行详细分析。

2、节点分析模型

2.1 模型概述

根据节点尺寸采用ansys建立实体分析模型，如下图2～4。其中砼采用solid45单元，钢板采用shell63单元。

2.2荷载

根据YJK计算结果，拱脚节点最不利受力组合为1.35恒+0.98活。查询可得杆系模型受力结果如下：

2.3边界条件

模型中柱子的高度取到上下层中点，此处接近反弯点。约束柱子底端的X、Y、Z自由度，约束顶端的X、Y自由度。

拱脚和拉杆的荷载加在相应截面位置处。

2.4计算结果

由上图砼的主压应力迹线可见，拱脚的压力通过节点箱顺利传到了下柱端，拉杆端的拉力在节点箱内向图示左侧逐渐减小。在节点箱的中心位置（同时也是拱、柱、拉杆轴线交点处）附近主拉应力和主压应力均较节点箱内其他位置为小。说明节点箱很好的起到了扩散应力的作用。

经仔细观察分析此节点受力分析结果，可以发现如下两点可能存在改进之处：1）下柱端与拉杆交汇的三角区域，虽说矢量方向指向下柱端，但是主压应力迹线较为密集，说明此处的压应力扩散还不够，可以尝试把节点箱范围下移。2）拱脚与上柱端相交处，呈锐角，而且钢板在此处汇集过多，焊缝质量不容易保证，可以尝试在上柱端加一道隔板。

3、结论

由上表可见，钢板的S1，SEQV、砼S3应力均满足要求，而砼S1应力仅在拉杆与节点箱相接区域大于2.85MPa，其余区域均满足要求。

同时可见，三个方案计算的结果相差不大。另从节点箱内主压应力迹线对比，改进方案一较初始方案没有使主压应力的传导得到优化。最终的方案出于对焊缝构造的考虑，采用改进方案二。

4、结语

本文首先介绍了本工程裙房拱架结构的相关情况，并详细描述了节点的构造及尺寸。然后对三种拱脚节点设计方案，分别采用ansys进行有限元分析，对比不同方案的计算结果，综合得出不同方案的受力特点，并确定最终采取的方案。通过本文可见，运用有限元对结构细部进行细致的分析，可以为工程提供更准确、细致的设计。

参考文献

[1] 拱形钢结构技术规程 （JGJ/T 249-2011）

[2] 高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）

[3] 钢结构设计规范（GB 50017-2003）

[4] 广东省建筑设计研究院.赫基国际大厦工程超限设计可行性报告，2013

[5] 钢管混凝土拱桥技术规程（DBJ/T 13-136-2011）