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钢管桁架结构是空间结构中一种典型的结构体系,具有力学性能优良、外型简单、造型美观、建筑表现力好、施工和维护方便、节省材料等诸多优点,因此被广泛应用于建筑结构尤其是大跨度空间结构。在桁架结构中广泛使用的空间相贯节点由于各主支管间的相互作用会导致节点区受力极其复杂,应力集中较为严重,破坏形式多样,成为结构设计中的一个关键点。
本论文以“太原火车南站站房工程屋盖钢桁架结构”为选题背景,在用MIDAS有限元软件对整个屋盖结构进行整体建模的基础之上得到其中的关键节点—8号节点在最不利工况下的荷载设计值,然后以此节点为主要研究对象,应用有限元软件Ansys对其进行加载过程及应力集中的分析。本论文的主要工作如下:
(1)利用MIDAS有限元软件得到关键节点—8号节点各杆件最大的轴力设计值及对应工况,为实验室的后续实验和节点的理论分析打下了坚实的基础。
(2)参考国内外文献,确定8号节点在节点分析时所需选用的单元类型、实常数、几何参数、荷载形式、加载方法及网格划分时的注意事项。
(3)利用Ansys有限元软件对该8号节点进行分析,使用前面分析得出的荷载设计值对该节点进行加载过程的受力分析,通过建立十个荷载步,分别得到杆件2-杆件8单根杆件在同时加载的过程中与主管1A(1B)相贯处的等效应力图,说明了杆件最先屈服失效的位置,并得到各个杆件在弹性阶段下所加的最大荷载值。在节点整体分析时,杆件端部最大应力点失效破坏时的屈服荷载比例有所差异,得出个8支管端部屈服失效的先后顺序。
(4)应用Ansys路径映射技术,得出8号节点各个主管与支管相贯处四个面上应力的最大值即热点应力,和各个杆件中部的应力值即名义应力,通过公式计算得到该杆件的应力集中系数。通过分析发现:各个杆件端部和中部的应力都存在着不小的差距,说明每个杆件都存在着应力集中现象;同一杆件不同面上的应力存在着明显的差别,每个杆件的应力集中程度有所不同。
本文对复杂空间相贯节点进行了理论分析,为后续实验和类似工程的节点分析具有一定的参考价值。