基于有限元的钢平台柱脚节点设计方法

摘 要 ：通过两种三维有限元力学模型,分别计算分析钢平台在刚性连接和定向滑动连接两种柱脚节点连接情况下的力学性能.结合两种不同数模分析方法的优缺点并它们的计算结果,分析两种柱脚节点连接设计方法对钢平台结构体系的影响,提出了可以适合实际工程的柱脚节点设计方法.

关 键 词 ：钢平台；柱脚节点；有限元；设计方法；定向滑动连接

0 前言

为了满足工业系统的设计要求,需要在下部支撑结构上建立钢平台,其柱脚节点设计多以刚性连接为主,导致不同结构之间的不协调变形在钢结构内部产生内应力,同时刚性连接的钢平台本身产生弯矩会传递给下部支撑结构,导致下部支撑钢架构件平面外失稳破坏.

1.柱脚节点设计

柱脚节点刚性连接采用焊接于下部支撑结构的设计方法,柱脚节点滑动连接采用聚氯乙烯布作为滑动隔离层,并在柱脚周围设置可靠挡板限制平面内水平位移.

2.钢平台力学模型

2.1 边界条件

空间杆系单元的每个端点有6个自由度、即3个平动自由度和3个转动自由度.本文定义的柱脚节点边界条件分为两种：一种是常规的刚性连接（边界条件1,下同）,即钢平台柱脚与刚体约束三个平动自由度和三个转动自由度；一种是定向滑动支座（边界条件2）,即释放柱脚一个上下自由度和三个绕形心轴线的转动自由度,限制平面内水平方向两个自由度.

考虑到滑动连接在长期受力、滑动系统老化等限制滑动有效实现的问题,这里的边界条件2限制平面内水平方向两个自由度是与实际工程所采用的定向滑动连接方式是比较接近的.

2.2 荷载定义

根据实际工程,按照恒荷载、活荷载[1],地震力[2]建立不同荷载工况（地震分别采用底部剪力法和振型分解法）,分析工况按照静态线性叠加.荷载组合分三种情况：

2.3 力学模型建立

下部支撑钢构架的主体结构在三维模型中定义为刚体,即不考虑主体结构的侧向力和变形对上部钢平台的影响.钢平台结构依据前述的结构体系建立空间杆系模型,根据有限元连续性检测定,采用三维实体单元[3]对结构进行划分模拟空间受力,通过定义的两种不同边界条件的柱脚连接方法,利用SAP2000和Midas Gen两个三维空间有限元软件通过建立材料合理的本构关系和力学模型对结构进行研究.两种软件均采用空间迭代法进行有限元计算.

3.数模分析

在相同的荷载情况下,分别对柱脚刚性连接和定向滑动连接两种模型的三个柱脚节点的计算结果进行分析.

3.1 空间变形分析

根据文献[4]给出的容许挠度限值要求可以得出,平台梁容许挠度值为>5mm（表1）,说明钢梁在定向滑动支座这种边界条件下满足变形要求.

定向滑动支座在保证钢平台良好的变形能力前提下,减小了钢平台空间变形对下部支撑结构的影响.而且符合抗震概念设计中的两种不同结构之间应各自有良好的变形能力和耗能能力,避免不协调变形导致两种不同结构的应力重分布.

4.结语

上部钢平台与下部支撑结构之间采用有效的定向滑动连接,其力学传递路径明确,最大限度保证了钢平台通过本身的空间协调变形减小对下部支撑结构的影响,减少对支撑结构的破坏.

根据工程实践证明,所提出定向滑动柱脚设计方法在工业建筑的钢支架及钢平台设计中起到了重要作用.另外,定向滑动柱脚设计方法减少施工机械投入,便于安装,节省人力成本.