【上海科技馆单层网壳结构节点受力分析】 单层网壳.docx

【上海科技馆单层网壳结构节点受力分析】单层网壳上海科技馆单层网壳结构节点受力分析赵金城许洪明(上海交通大学上海200030)摘要:采用ANSYS有限元分析程序对上海科技馆单层网壳结构典型节点进行了分析,通过对节点上的连接杆件、节点板、螺栓的受力分析,得出一些有意义的结论。关键词:单层网壳结构节点有限元分析STRESSANALYSISOFTHEJOINTOFADOMESHANGHAIMXuHongmingJiaotongUniversityShanghai200030)AbstractThetypicaljointofahugeellipsoidalaluminumdomeinthemiddlepartoftheShanghaiScience&TechnologyMuseumisanalyzedusingthefiniteelementprogramANSYS.Thestressdistributionsinthestructuralaluminummember,thegussetplate,thelockboltfastenerarestudiedrespectively.Basedontheanalysis,someconclusionsaremadeinthepaper.Keywords:ellipsoidalaluminumdomestructurejointfiniteelementanalysis上海科技馆建筑中部为一巨型椭球体单层网壳结构。该网壳结构由美国TEMCOR公司设计、制作,长轴尺寸为67m,短轴尺寸为51m,高4116m。杆件采用铝钛合金工字形截面。典型节点如图1所示。节点共有6根工字形截面杆件、上下两块铝合金节点板,通过紧固螺栓与杆件连接。各工字形截面杆件形心与主轴不在同一平面内,互成角度。与其它形式的节点相比,这种节点具有结构简单轻巧、节约材料、不需要焊接、施工方便、形式美观等优点。寻其破坏机理。1基本假定(1)螺栓一端与节点板固定,另一端与杆件固定,且不考虑螺纹的影响;(2)弹性分析;(3)不考虑杆件的扭矩及节点平面内弯矩的影响;(4)加载时边界条件的性质保持不变。2分析模型的建立(1)杆件:根据工字型截面杆件、连接螺栓以及与连接板的空间位置、尺寸关系建立局部坐标系,在局部坐标系中,先建一工字形截面与一杆件平行的直线,将截面沿着直线延伸一定的距离,即可完成杆件的建模。(2)节点板:因为节点板并非平面薄板,而是略图1网壳节点示意mm节点在网壳结构中具有特殊的作用和重要性,因为每个节点上连接杆件很多,各杆件处于空间位置是多方位的,通过节点传递三维力流也很复杂,节点设计的好坏,无疑是网壳结构成败的关键之一。本文对节点的三维受力运用ANSYS软件进行有限元分析,目的在于了解整个节点的受力情况,进而探IndustrialConstruction2001,Vol131,No110有弯曲,故建模较为复杂。就整个网壳而言,其外表面为椭球面,节点板应该是椭球壳的一部分。本文近似将节点板作为球壳的一部分,首先建一个球面,球半径取椭球长轴半径和短轴半径的平均值。然后根据节点板的尺寸,在球面上选定一短线段,将此线第一作者:赵金城男1965年4月出生博士副教授收稿日期:2001-06-15工业建筑2001年第31卷第10期7段沿某一中心轴旋转得一曲面,将曲面沿其法线延伸至节点板的厚度即得节点板。(3)螺栓:假定螺栓为剪切型。3网格划分(1)单元类型的选择本文分析中杆件、节点板和连接螺栓都采用8节点四面体三维实体单元,每个节点3个自由度。(2)单元网格尺寸的确定考虑实际工程情况及计算机性能、计算速度等因素的影响,将节点区域划分成若干块,然后再逐块进行单元划分。具体划分出的网格如图2所示4图31-SYZ;2--S2;5-S3态是十分困难的,为简化分析,对1根杆件加了固定面约束,参考整个网架结构杆件的内力情况,节点分析中对没有约束的5根杆件仅施加了垂直于节点平面方向上的弯矩和轴向面压力,如图2所示。,这表明螺栓受力是以剪应力,而正应力很小。最大的拉应力(主应力)为235MPa,最大压应力(主应力)约为210MPa。最大剪应力沿x轴向,约为200MPa,与最大主应力近似相等。由此可以判断此螺栓的破坏应以剪切破坏为主。通过对各个部位螺栓的分析比较可以看出,螺栓的主应力图的形状与其剪力图具有一致性,也就是说螺栓的受力是以剪力为主的,这是因为各工字型杆件的受力以轴力为主,工字型截面上的弯矩只起了很小的作用。在同一根杆件的翼缘板与节点板的连接螺栓中,其产生的位移、最大剪应力、最大主应力都近似相等,由此可进一步判断这些螺栓的受力基本上是均匀受力的,即并不存在哪一部位的螺栓先被剪坏的问题。另外,通过对螺栓杆位移的分析可以认为,螺栓杆发生弯曲破坏