摘要：網架、網殼及空間桁架等大跨度空間鋼結構在工程實際中有廣泛的應用，由于大跨度空間結構桿系數量龐大，且一些重要的連接節點受力復雜，故手動計算這些空間結構困難較大，且結果難以保證，故一般采用軟件有限元的方式進行結構分析。本文以天水體育場實際工程為背景，分析了不同焊接球節點支座的受力情況，得到了支座的應力分布規律，提出了優化建議，為后續工程設計提供參考。

　　關鍵詞：大跨度空間結構;有限元分析;焊接球節點

　　1.概述

　　1.1鋼結構在大跨度空間結構的優勢

　　鋼結構具有材料強度高，塑性、韌性好，材質均勻、工作可靠性高，且鋼結構制作簡便、施工周期短、良好的裝配性又是綠色建筑，具備可持續發展的特性，故在在大跨度空間結構中有廣泛的應用。例如上海師范學院球類房(我國第一座平板網架)，天津科學宮(焊接空心球節點斜放四角錐網架)，首都機場機庫(三層斜放四角錐平板網架結構)，北京工人體育館(柔性空間懸索結構)，深圳華僑城歡樂谷中心表演場(張拉膜結構)等[1]。

　　空間結構論文投稿刊物：空間結構主要刊登空間結構、鋼和鋼筋砼網架、網殼、組合雜結構及不同材料的組合空間結構、膜結構、索桁結構等方面的理論及分析、設計計算、建筑造型與藝術、試驗與檢測、施工安裝工藝、新技術、連接構造、工程實例、企業管理經驗、博、碩士生的優秀論文、國內外空間結構和聞新報導。

　　空間網格結構由于桿件數量龐大，節點形式多樣，結構形式復雜，采用手算幾乎無法實現，應根據結構的類型、平面形狀、荷載形式及不同設計階段等條件，可采用有限元法或基于連續化假定的方法進行計算，這為采用計算機程序化計算提供了便捷，按有限元法進行空間網格結構靜力計算可采用下列基本方程[2]：KU=F，式中：K—空間網格結構總彈性剛度矩陣;

　　U—空間網格結構節點位移向量;

　　F—空間網格結構節點荷載向量。

　　1.2大型通用有限元軟件ANSYS

　　ANSYS協同仿真環境技術以優化設計流程為目標，以客戶化應用為手段，通過捕捉專家經驗、規范設計流程、高可靠性的CAD/CAE互操作技術、高效率的優化技術、web技術等大幅縮短研發過程。構成協同仿真環境的CAE產品包括：結構分析體系、電磁場分析體系、流體力學分析體系、行業化定制模塊、仿真模型建造系統、設計人員快捷分析工具箱、多目標快速優化工具、客戶開發平臺等。

　　其中結構分析體系包含強大的結構分析模塊、沖擊爆破模擬模塊、高級疲勞分析模擬模塊、機構動力學分析模擬模塊。

　　對于重要的受力節點，例如多桿件交匯節點、支座節點等，由于其受力復雜，對整個結構安全有重要影響，故需進行局部節點的仔細分析以確保結構安全性。本文以天水體育場實際工程為背景，采用有限元分析軟件ANSYS，模擬了網架幾種典型支座節點的受力情況，初步得到支座節點應力的分布規律，并對后續優化提出一些建議。

　　2.有限元分析過程

　　按照支座模型的不同，共模擬了以下三種典型模型對應的應力分布：

　　2.1模型一(鋼柱頂桁架支座，共計68處)

　　底板尺寸為0.6mx0.6m，底板厚50mm，沿底板四周布置4個加勁肋，加勁板厚均為50mm。球體外徑為800mm，壁厚50mm，內設50mm厚加勁板，球下方圓柱體外徑為246mm，壁厚為8mm，支座球外側連接有三個網架弦桿件。

　　最大應力出現在背離斜撐一側的加勁肋處，該加勁肋與底板相交部位應力較大，出現應力集中現象，該處應力值為212~240MP之間，整個球體本身應力沒有超過80MP，故該處球體本身尚有優化空間，整個支座最大應力約為240MP，對于Q345鋼材，當板厚為50mm時的抗壓強度設計值為265MP，故滿足承載力要求。

　　3.1模型二(斜撐頂桁架支座，44至80軸，共計33處)

　　模型二的幾何尺寸與模型一類似，不同的是在底板處布置了6個加勁肋，其他幾何參數參考模型一，得到的ANSYS幾何模型、有限元模型及計算應力分布。

　　與模型一相比，該支座模型由原來的4塊加勁板增加至6塊后整個球體、底板及底板四周加勁肋均沒有出現應力較大區域或者應力集中現象，應力分布與模型一比較更加均勻，受力性能得到改善，但加勁板及支座底板整個支座的應力較小，一般不會超過100MP，故該處加勁板有優化空間。與模型一類似，處于桁架斜桿對側的加勁板應力較大。整個焊接球支座最大應力為360MP，該應力值出現在極個別的網格中，可以忽略，整個支座的應力值均在設計值范圍內，故符合要求。

　　3.1模型三(斜撐頂桁架支座，1至35軸，共計33處)

　　模型三的幾何尺寸與二類似，不同的是與模型一、二相比底板變為500×900，底板處布置了6個加勁肋，其他幾何參數參考模型二，得到的ANSYS幾何模型及有限元模型及計算應力分布。

　　模型三的應力分布情況和模型二類似，最大應力出現在球內部加勁肋處，而與網架桿件相對一側的兩個加勁肋與底板連接處應力較大，其值在160~200MP之間，均在設計值范圍內。整個球、底板及底板四周加勁肋均沒有出現應力較大區域或者應力集中現象，整個支座的應力也在設計值范圍內，故符合要求。

　　4.結論

　　通過以上不同類型焊接球支座的有限元分析可得到以下結論：

　　1)支座加勁板最大應力出現在背離桁架斜桿一側，靠近桁架斜桿一側的加勁板應力較小，尚有優化空間;

　　2)支座底加勁板較少時，背離桁架斜桿一側的加勁板與支座底板端部出現應力集中現象，當增加加勁板后，加勁肋均沒有出現應力較大區域或者應力集中現象，應力分布更加均勻，受力性能得到改善，但此時加勁板應力較小，尚有優化空間;

　　3)幾個典型焊接球節點球體本身的應力并不是很大，尚有優化空間。

　　5展望

　　1)本文在做有限元計算時桁架桿件、球支座、加勁板及支座底板的連接都統一按”體元”考慮，而實際是以焊縫連接，在受力后焊縫處的應力與母材必然有所差別，有必要在分析時以實際情況建立含有與焊縫相關的有限元進行分析，這樣得到的結果更加貼近實際。

　　2)本文在設置支座底部邊界約束條件時，統一按照“剛接”考慮，而實際支座在桁架桿件作用下底部與混凝土基礎之間會有位移，這種位移會對整個支座的應力分布產生影響，故有必要在分析時考慮支座底板與混凝土基礎之間的“接觸”這樣得到的結構將更加可靠。

　　參考文獻

　　[1]趙風華.鋼結構設計原理[M].北京：高等教育出版社，2005(:2-7).

　　[2]JGJ7-2010.空間網格結構技術規程[S].

　　作者：喬響平