网格结构节点设计与分析

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网格结构包括网架与网壳,是指将多根杆件按照某种具有一定规律性的几何形状,通过节点连接形成的网格状三维杆系结构。网格结构具有力学性能好、适应范围广、造型优美等特点,被大量应用于体育馆、展览馆、机场航站楼等大跨度结构,是目前发展最迅速、应用最广泛的空间结构形式。网格结构的节点可以连接汇交杆件,传递杆件内力,而且,节点选型及设计是否合理对于网格结构的力学性能、安装制作、工程造价等都会产生重要影响,因此,节点是网格结构的重要组成部分。本文以黄石体育馆钢屋盖网格结构为工程背景,使用SAP2000软件对结构进行了整体分析,得到了杆件内力。为验证整体分析的正确性,在临空节点和部分主梁上布置测点,得到了结构在自重作用下应力和位移的实测值,并与理论值进行了对比。在整体分析的基础上,本文介绍了焊接钢板节点和铸钢节点的设计思路,验算了节点强度,分别建立杆系模型和实体有限元模型,给节点施加单位荷载,验算了两种不同类型节点的刚度。对于焊接钢板节点,利用APDL语言编程模拟了焊接过程,借助ANSYS热-结构耦合分析功能求出了应力场,通过对比,数值模拟结果与现有理论基本吻合。为进一步了解焊接钢板节点和铸钢节点的特点,本文从加工制作、安装工艺、力学性能和经济性能等多角度对这两种形式的节点进行了对比分析。计算与分析结果表明:焊接钢板节点制作较简单,造价较低,但体型较大;焊接钢板节点可以实现空间角度复杂的杆件间的连接,虽然杆件与筒体连接处有可能会出现应力集中的现象,考虑材料非线性之后,应力集中区域不大;焊接中会产生焊接残余应力,但有限元软件可以模拟焊接过程,预测焊接残余应力的大小和分布状态。铸钢节点由铸钢材料浇注而成,节点形式灵活,造型优美,但造价较高;铸钢节点受力较均匀,不存在明显的应力集中现象。焊接钢板节点和铸钢节点都适合应用于网格结构中,尤其是节点受力大,汇交杆件数量多、空间角度复杂的网格结构,而且,由于这两种形式的节点各具特色,如果在合适的结构中同时使用这两种节点,不仅可以满足设计要求,还可以产生很好的经济效益,是网格结构节点优化设计的一种途径。
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