特殊约束条件下网架支座节点的分析与设计

2013-11-04王建群陈庆生张文元潘蜀京

建材世界 2013年3期

王建群，赵琳，陈庆生，张文元，潘蜀京

（1.天津水泥工业设计研究院有限公司，天津 300400；2.哈尔滨工业大学土木工程学院，哈尔滨 150006）

1 工程概况

在大跨度的工业建筑中（如水泥熟料库等），逐渐开始使用具有自重轻、承载力大等［1－2］卓越性能的网架结构。要求网架不但能够承担竖向荷载，还要具有承担一定水平荷载的能力，为网架支座设计增加了难度，要求支座在水平双向能够满足某些特殊边界条件。该文以某70.5m 跨度的水泥熟料库为例，分析支座条件对网架性能的影响，并重点对支座节点进行专门的有限元分析。该水泥熟料库网架屋盖为圆台形，Q235钢材，下部筒体壁厚为600mm，网架锥面倾角约为32°，锥顶平台直径13.7m，整体锥面网架高度约20m。采用等截面的双层正放四角锥网架，网架详细尺寸如图1所示。由于库内外温差较大，为了使温度变形得到很好的释放，设计了一种能够沿径向滑动的支座，将网架下弦外环周边的18个节点定义为支座，同时这些支座还能够承担网架上部传来的水平荷载。

2 支座约束条件及其对网架性能的影响

在支座上施加竖向约束的同时，为使支座能够径向滑移而法向不动，整体分析建模中在每个支座上设置了一个法向刚性系杆，并约束其远端的3个平动位移。这样处理可以确保网架杆件内力不受温度荷载的影响，并能承受锥顶平台上较大的水平力作用。支座法向刚性系杆的弹性模量为普通钢材的108倍，可近似认为是无穷大；线膨胀系数为0，可确保其长度不受温度荷载的影响，不会产生附加内力；质量密度为0，可确保其重量不参与网架整体用钢量的统计；屈服点是普通钢材的1 000倍，确保其不会屈服或屈曲。

对网架支座沿径向施加弹性约束，考察支座径向约束条件对杆件内力、结构变形和水平反力等指标的影响。表1给出了径向刚度取不同数值时的计算结果。可以看出，减小支座水平径向刚度的做法能够确保经济合理的结构设计指标。虽然支座径向刚度降为0时，下弦外环杆件的拉力很大，但可以通过增大内部相邻两环截面面积的方法得到解决，整体用钢量也不会显著提高。同时，把支座设计为径向可以自由滑动的方式，对下部结构没有抵抗推力的要求，不会增加其额外负担，简化了下部结构设计。

表1 支座径向刚度对网架的影响

3 支座节点的有限元分析

钢管使用Q235B级钢材，螺栓球采用满足国家标准的优质45号钢。高强度螺栓经热处理后的抗拉强度设计值［3］：对40Cr钢，40B钢与20MnTiB钢，取为430MPa；对45号钢，取为365MPa。支座球节点直径均为280mm。杆件截面验算中的应力比控制在0.8以内，确保结构具有足够的安全度。受拉杆件长细比限值为150，受压杆件长细比限值为100。考虑到网架锥顶平台处存在较多设备，对结构变形要求较为严格，网架挠度按1／1 000控制［4］。

3.1 网架支座节点的设计

采用如图2所示的支座形式。

底板平面尺寸：径向边长430mm，周向边长320mm。底板厚30mm，支座加劲肋厚25mm，四个加劲肋和中间圆管组成的十字形截面短柱高度250mm。肋板最大宽厚比165／25＝6.6＜13，满足局部稳定要求。设计中认为所有荷载均由四个加劲肋承担，因此中间圆管不必验算，取100×10。支座加劲肋与底板采用全熔透的坡口对接焊缝，以保证焊缝与加劲肋板等强。支座锚栓取为M30，Q235B 钢材。长椭圆孔能够实现径向滑动，其长度由温度组合下的最大变形确定，并同时考虑了下部混凝土筒体的温度变形。支座底板下部采用摩擦系数极小的聚四氟乙烯垫层。支座法向采用限位板，厚度30mm，此限位板在网架支座就位、网架整体拼装完成后，采用现场点焊形式固定在库壁顶面混凝土的预埋板上，与网架底板接触一侧粘贴聚四氟乙烯板以减小摩擦，并适度顶紧，以保证水平力的有效传递。

3.2 支座节点的有限元建模

按网架计算结果，支座受力的设计值［5］按两种最不利情况考虑：1）压力最大值789kN，此时无水平力；2）法向水平力最大值160kN，此时最小的压力为660kN。

使用Abaqus通用有限元程序建立有限元模型，如图3（a）所示。支座球节点使用实体单元，支座底板、加劲肋、短圆管支柱等采用壳单元。为模拟下部筒壁的钢筋混凝土，在支座下部设置了足够大的混凝土基础，并在基础表面设置预埋钢板和侧向限位钢板，此部分亦采用实体单元。基础的宽度取筒体壁厚700mm，长度取为3倍支座底板的宽度，高度取800mm（超过锚栓长度）。由于网架支座向外移动的距离较大，故将网架支座底板中心放置在距混凝土筒体内壁300mm、距外壁400mm 处。使用连接件单元模拟连接混凝土基础与支座底板之间的锚栓，连接件的刚度设为锚栓的轴向刚度EA／L（其中A 为锚栓直径，L 为锚栓在基础混凝土顶面与底板上表面之间的长度，即预埋板与底板的厚度之和），此连接件仅具有轴向自由度，确保支座滑动时对连接件没有影响，锚栓不受力。

模型的边界条件：在混凝土基础的底面施加三个方向的平动约束，在混凝土基础的一个侧面施加筒壁的法向约束，以模拟空间不动的下部基础。在支座底板与混凝土基础表面之间设置无摩擦的接触面，同时为限制支座底板在法向水平荷载作用下的自由移动，在支座底板的法向与限位块之间也设置接触面。这种处理可以确保支座底板只能在径向滑动，而法向保持不动。水平荷载和竖向荷载均施加到支座球节点中心上。为准确描述支座在径向的自由滑动，按设计荷载要求的竖向力和水平力施加完成之后，对支座的上部球体施加径向80mm 的位移（向外位移的最大值），用以观察计算模型的受力和变形等情况。

为保证计算精度，使用的网格密度较大，网架支座的球、加劲肋和底板等钢材零件的最大网格尺寸为15mm，下部混凝土基础的最大网格尺寸为30mm。

3.3 网架支座的应力和变形

工况1）作用下，支座的最大Mises应力发生在竖向荷载作用的球体上，为169 MPa，这是由所使用的加载方式引起的，而支座加劲肋和支承短柱等关键部位的应力均不大，基本在80MPa左右。工况2）作用下的应力云图如图3（b）所示，最大应力发生在支座加劲肋外边缘与底板相连接处，为219 MPa，其它位置的应力均较小。最大应力是轴压与弯矩共同作用的结果，由于球体下加劲肋和支承圆管的刚度分布并不均匀，其数值大于简化计算的结果，但能够满足Q235钢材的设计要求。

工况1）轴压力作用下的支座仅有竖向变形，最大竖向变形为0.201mm，数值很小，可以忽略。工况2）轴压力和水平力共同作用下支座的最大合变形为0.505 mm，其中球节点中心处最大水平变形分量为0.3mm左右，为支座高度的1／933，数值仍然很小，能够满足设计要求。

3.4 限位板的应力

工况1）作用下，支座没有法向运动趋势，限位板不受力。工况2）作用下，限位板的最大Mises应力在40 MPa左右，远小于钢材强度设计值。限位板的应力最大点发生在加劲肋边缘处，此处支座底板的刚度最大，是传递水平力的最直接位置，此点以外的限位板其它区域上的应力呈对称性逐渐降低，如图3（c）所示。

3.5 锚栓的受力分析

工况1）作用下锚栓不受力。工况2）作用下，受拉一侧两个锚栓的最大拉力分别为7 829.48 N 和5 133.12N，距离加劲肋较近的锚栓拉力较大，较远的锚栓拉力较小。可以发现此数值明显小于初步设计时的简化计算结果，这是由于简化计算时假定的混凝土受压区合力作用点的位置距离底板中心较近，使简化计算结果偏于保守。图4给出了工况2）作用下受拉一侧两个锚栓的拉力随荷载步的变化规律。其中荷载步0～1.0为水平力和竖向力施加的过程，荷载步的增量为0.2倍的设计荷载；荷载步1.0～2.0为径向位移80mm 施加的过程，荷载步的增量亦为20%，即16mm。可以发现，在0～1.0的水平力和竖向力施加的过程中，锚栓拉力呈线性增大，这是由于支座所受弯矩线性增大的结果；在1.0～2.0的水平位移施加过程中，随着支座的向外滑移，滑移之前受力较大的锚栓与加劲肋的距离越来越远，故其拉力有所降低，而滑移之前受力较小的锚栓距离加劲肋越来越近，故其拉力略有增加，此现象符合力学概念。