摘 要

钢结构的节点受力复杂，较为薄弱，在整个结构中起着至关重要的作用，故研究钢结构的节点有一定的意义。本文以钢桁架桥为研究背景，用ANSYS软件建立了钢桁架桥的有限元模型，对其整体进行受力分析，明确各部位受力，并选取关键节点进行三维实体有限元分析，研究该节点塑性破坏的机理，并进行抗塑性破坏设计，通过比较设置加劲肋、粘贴钢板和增加连接板等加固措施，得出最佳的加固方案。

分析结果表明：该钢桁架桥的最大位移发生在跨中位置，位移较小表明结构具有较大的刚度；结构内力的最大值发生在端部，杆件受剪力值较小。通过对关键节点的有限元分析，得到了该节点塑性区的扩展特征：支管与主管连接处首先发生屈服，同时形成塑性区并逐渐向四周扩散，直到节点出现明显的塑性变形后才发生破坏。本文建立了多种加固措施的三维模型，如设置加劲肋、粘贴钢板和增加连接板等，研究表明：加固效果最好的是增加连接板，在同一条件下此方法的最大应力值减少了10.3%，其次是在支管处设置加劲肋，最大应力值减少了6.5%，而粘贴钢板的效果最差，仅减少了0.9%。

关键词：钢桁架桥；整体节点；有限元分析；塑性破坏；加固措施

Abstract

The joints of steel structures are complex and weak, and play a vital role in the whole structure. Therefore, it is of certain significance to study the nodes of steel structures. In this paper, the steel truss bridge is taken as the research background. The finite element model of steel truss bridge is established by ANSYS software. The whole force is analyzed, the force of each part is determined, and the key nodes are selected for 3D solid finite element analysis. The mechanism of plastic failure, and the design of anti-plastic failure, the best reinforcement scheme is obtained by comparing the reinforcement measures such as stiffeners, steel plates and connecting plates.

The analysis results show that the maximum displacement of the steel truss bridge occurs at the mid-span position, and the smaller displacement indicates that the structure has greater stiffness; the maximum internal force of the structure occurs at the end, and the shearing force of the rod is small. Through the finite element analysis of the key nodes, the extended feature of the plastic zone of the joint is obtained: the joint between the branch pipe and the main pipe first yields, and the plastic zone is formed and gradually spreads to the periphery until the node undergoes obvious plastic deformation. In this paper, three-dimensional models of various reinforcement measures are established, such as setting stiffeners, pasting steel plates and adding joints. Research shows that the best reinforcement effect is to increase the joint value. Under the same conditions, the maximum stress value of this method is reduced by 10.3 %, followed by the provision of stiffeners at the branch, the maximum stress value was reduced by 6.5%, and the effect of the bonded steel plate was the worst, only 0.9%.

Keywords: Steel truss bridge; Integral joints; Finite element analysis; Plastic failure; Reinforcement measures

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.1.1选题背景及意义 1

1.1.2整体节点概述 1

1.2国内外研究现状 2

1.3主要内容及研究方法 4

1.3.1主要内容 4

1.3.2研究方法 4

1.4论文框架 5

第2章 非线性理论与有限元法 6

2.1概述 6

2.2几何非线性问题 6

2.3材料非线性问题 7

2.4 ANSYS有限元软件介绍 10

2.4.1 ANSYS优势 10

2.4.2 APDL简介 11

2.4.3非线性分析 11

2.5本章小结 11

第3章 钢桁架桥静力分析 13

3.1结构体系与设计参数 13

3.2钢桁架桥结构分析计算 13

3.2.1分析内容 13

3.2.2计算模型 14

3.2.3荷载效应 15

3.2.4结构静力分析计算 15

3.3本章小结 22

第4章 节点有限元模型建立 23

4.1研究节点的选取 23

4.2矩形钢管节点承载力计算 23

4.3有限元模型建立过程 24

4.3.1单元选取 24

4.3.2本构关系 25

4.3.3网格划分 25

4.3.4边界条件和耦合情况 26

4.4本章小结 27

第5章 节点塑性破坏机理分析 28

5.1节点受力分析 28

5.1.1塑性区的扩展情况 28

5.1.2荷载位移曲线 30

5.2本章小结 30

第6章 节点抗塑性破坏设计 32

6.1加劲肋的设置对节点应力的影响 32

6.2粘贴钢板对节点应力的影响 33

6.3增加连接板对节点应力的影响 34

6.4本章小结 35

第7章 结论与展望 36

7.1结论 36

7.2展望 36

参考文献 38

致 谢 40

第1章 绪论

1.1研究背景

1.1.1选题背景及意义

由于钢结构^[1]具有自重轻、强度高、塑性及韧性好、抗震性能优越、装配化程度高、耐久性好、造型美观等众多优点，经过了数百年的实践与发展，在建筑、交通、航天、军事等各个领域都得到了广泛的应用，是大型结构的首要选择。

钢桁架桥的节点形式众多，其中直接焊接的整体节点是主要连接形式之一，整体焊接节点作为一种重要的节点形式目前已经广泛应用于大型结构中，比如入选全球最美建筑的武汉火车站^[2]，被誉为世界第八大奇迹的北京大兴国际机场^[3]。整体节点外形美观，能够满足建筑外观要求，但是节点区域的受力状况极其复杂，既有拉应力，又有压应力，还有剪应力，而且应力分布也不均匀，实际工程中破坏往往发生在较为薄弱的节点区域。

国内外学者对钢管节点^[4]的研究在极限承载力分析方面取得了一定的成果，但很少对钢桁架桥整体节点的塑性破坏做过多的研究，包括对塑性破坏机理的研究及加固方法。此外，国内外学者所选取的节点多为圆管-圆管节点和圆管-方管节点，对方管-方管节点的研究不是很多。钢材有两种形式的破坏形式，在一般情况下多为塑性破坏，塑性破坏虽然不像脆性破坏那样在破坏前无明显预兆，但也容易导致结构的局部或整体失稳而垮塌，从而造成一定的损失。故明确钢桁架桥节点塑性破坏机理，以及提出一些加固措施，对实际工程具有一定的意义。

1.1.2整体节点概述

按几何形式分类,节点可以分为平面节点和空间节点两大类。平面节点为所有杆件轴线处于或几乎处于同一平面内的节点,而空间节点为就是利用平面节点的基本形式进行空间组合而成的，杆件轴线不在同一平面内。

按截面形式分类，节点分为圆管-圆管节点，方管-圆管节点，圆管-方管节点，方管-方管节点。

图1.1 平面节点

按连接形式分类，平面节点的形式有以下四种：T型、Y型、K型和X型。（图1.1）空间节点的形式有以下几种：XX型、TT型、TX型、YK型、KX型、KT型、KK型。（图1.2）

图1.2 空间节点

1.2国内外研究现状

1967年，鹫尾健三^[5]等学者对K型、T型和X型的圆管相贯节点进行了静力试验研究，通过改变等一些参数，研究其对K型节点受力性能的影响，从而得出节点极限承载力计算公式。

1982年，Packer以支撑杆件的矩形焊接空心截面桁架为背景，利用塑性铰线法对其节点的极限承载力进行了理论分析。

1988年，Bauer^[4]对TT型、KK型空间节点进行了静力试验,并进行参数化敏感性分析，建立了两种塑性铰线分析模型。

1995年，M.M.K.Leeamp;S.R.Wilmshurst^[6]提出了多平面双K构型CHS（圆形空心截面）节点静强度的数值研究，并研究影响静态强度的各种因素。这些因素包括：模拟焊缝几何形状的影响，边界条件，弦和支撑端，加载方式，弦长和材料属性。弹塑性有限元分析逐渐取代实验测试作为管接头技术研究的主要工具。

2001年，刘建平^[7]等学者利用ANSYS对广州市某体育馆钢板支座节点进行了非线性有限元分析，通过逐级加载的方式，对其进行了数值分析，揭示了节点的受力性能，分析了节点塑性区的扩展特征及破坏机理，并得出影响支座节点承载力的主要因素，具有一定的工程意义。

2009年，童乐为^[8]等学者以上海市旗忠网球中心活动屋盖结构中的关键节点为例，对主管内部焊接节点性能进行了试验研究和数值分析。描述了节点的塑性应变、破坏形式和机理及加劲肋的构造效应。节点的承载力较高，主管内设置加劲肋显著提高节点的刚度和强度，改变了节点的破坏形式。

2012年，李瑞峰^[9]等学者使用有限元分析软件ANSYS从理论上对大尺寸空间KKK型方管相贯节点的抗弯极限承载力和轴向极限承载力进行了较系统的分析，此外还分析了节点同时受到轴力和弯矩作用下的受力情况。

2013年，钱昆^[10]等学者对某广场钢结构裙房大尺寸KT型相贯节点进行了非线性有限元分析，研究节点受力性能的变化，通过分别绘出节点在不设加劲肋、设2个加劲肋、设4个加劲肋时的极限承载力曲线，得出最佳的加固方法。

2015年，陈莉^[11]等学者使用有限元软件ANSYS通过改变不同的几何参数（支主管直径比、主管径厚比、支主管壁厚比、支主管轴线间夹角），对弯折节点进行了有限元分析，从而得到该节点塑性区的扩展特征，以及节点的破坏模式和极限承载力。

2016年，潘颖^[12]等学者利用ANSYS对XX型相贯节点进行了有限元分析，得到了节点塑性区的扩展情况及应力分布情况，同时研究了一些几何参数，例如支主管外径比等对节点极限承载力的影响，最后把有限元数值模拟的结果与设计规范中的结果进行比较分析。

2017年，陈娟^[13]等学者通过对钢管混凝土节点进行了有限元分析，研究了钢管混凝土空间相贯节点的空间效应。通过考虑几何与材料非线性、钢管与混凝土的接触非线性等因素，建立了有限元模型，对其承载力和破坏模式进行了研究，得出空间效应对钢管混凝土的空间节点的刚度没有太大的影响。

2018年，杜新喜^[14]等学者对武汉天河国际机场T3航站楼盖结构中典型空间相贯节点的静力性能进行了试验研究。根据最不利荷载效应，对节点进行有限元分析，并将数值模拟结果与实验结果进行比对，得出节点破坏的模式。

2019年，张爱林^[3]等学者以北京新机场航站楼为研究背景，选取航站楼中复杂钢管的相贯节点为研究对象，进行了足尺试验，研究加劲肋的设置、钢材强度以及加载方式对该相贯节点受力性能的影响。此外，对节点的破坏模式进行了研究。

2019年，Kaizhong Xie^[15]等学者研究了钢管混凝土（KST）节点的极限承载力，采用理论分析和数值计算的模拟方法。建立K型接头的有限元模型，并用测试数据进行了验证。基于此模型，研究了K型接头的失效模式。此外给出了不同失效情况下K形接头极限承载力的计算公式。

1.3主要内容及研究方法

1.3.1主要内容

（1）通过查阅大量的相关文献和资料，总结概括钢桁架桥节点的国内外研究现状，确定自己的研究方向为钢桁架桥节点塑性破坏机理的研究。其次分别阐述几何非线性和材料非线性的基本理论，以及对塑性理论和塑性破坏准则进行介绍。另外介绍了有限元软件ANSYS的相关内容。

（2）利用大型有限元软件ANSYS，建立钢桁架桥的实体模型，对钢桁架桥整体进行静力分析，明确各部位受力并找出具有代表性的截面。对结构关键节点进行非线性有限元分析，对节点进行受力分析，通过不断加载的方式，对塑性区的扩展特征与塑性破坏的机理进行研究，做出荷载-位移曲线，并得出相应的结论。

（3）通过建立多种加固措施的有限元模型，如设置加劲肋、粘贴钢板及增加连接板等，研究其对结构应力的影响，从而找出最佳的加固方案。

1.3.2研究方法

（1）试验研究：试验研究是分析节点受力性能的主要方法之一，是比较传统应用比较广泛的一种方法。节点试验能够较为直观的给出节点的极限承载力及塑性区的开展情况。虽然试验方法造价比较昂贵，但是对于结果的准确性有一定的保证。近年来，国内大型结构工程设计多数采用试验研究的方法，杭州东站、石家庄火车站、杭州支付宝大楼等大型工程的关键节点均进行了足尺试验，其试验数据为工程的开展提供了坚实的保障。

（2）理论分析：理论分析是分析节点受力性能的重要组成部分。分析方法主要有试验统计法、薄壳理论法、简化分析法、有限元法及半解析数值法等。

（3）数值分析与计算：随着科技的不断发展，加上试验研究的不稳定性，近些年，有限元分析逐渐成为主要的研究方法，ABEQUS、ANSYS等大型有限元软件是节点有限元分析中应用最广的工具。非线性有限元分析可同时考虑节点的几何非线性及材料非线性等因素的影响，得到节点的极限承载力与塑性区的扩展特征。与试验研究相比，大大节约了成本。本文即采用数值分析与计算的方法。

1.4论文框架

第一章，绪论。这章主要介绍了研究背景，包括选题的目的、意义，并对整体节点进行了分类，引出本文要研究的节点。之后，较为系统地阐述了国内外研究现状，进而对本文的主要内容及研究方法进行了概括。

第二章，非线性理论与有限元法。这章首先对非线性理论中的材料非线性和几何非线性问题进行了描述，之后介绍了ANSYS有限元软件，包括ANSYS的优势、APDL语言及非线性分析的主要过程。

第三章，钢桁架桥静力分析。这章给出了该钢桁架桥的结构体系和设计参数，并对该结构进行了静力分析，对全桥的受力性能有了清晰地认识。

第四章，节点有限元模型的建立。利用ANSYS建立了节点的有限元模型，并围绕建模过程中所采用的单元类型，材料，网格划分及边界条件等展开。此外对矩形钢管节点承载力的计算式进行了介绍。

第五章，节点塑性破坏机理分析。本章对节点进行有限元分析，并分析出该节点塑性区的扩展特征，同时绘出荷载位移曲线，并分析该曲线。

第六章，节点抗塑性破坏设计。通过建立多种加固措施的三维实体模型，如设置加劲肋、粘贴钢板及增加连接板等，研究其对节点塑性破坏的影响，从而找出最佳的加固措施。

第七章，结论与展望。本章对全文的分析结果进行概括与总结，并针对一些方面提出了展望。

第2章 非线性理论与有限元法

2.1概述

大多数情况下，许多固体力学问题都是非线性的，即非线性是绝对的而线性是相对的。但从工程实际应用角度出发，当结构应力水平较低、变形较小时，结构的非线性效应很小，对其近似按照线性分析理论来处理，把握了其主要受力特征、符合受力和精度要求，既合理又简便，大大简化了计算过程。但对于某些复杂的力学问题，如弹塑性地震反应、长索垂度效应、悬索桥的大变形效应。受压柱的梁柱效应、超弹性材料等，非线性效应对结构影响非常大，若将其简单地假定为线性问题来进行分析，无法满足实际需求，此时必须严格按照非线性分析理论来分析。

一般来说，对方管整体节点进行理论分析并非容易，由于采用直接焊接，在主支管连接处应力情况非常复杂，但随着人们对结构力学特性的认识及计算机水平的提高，对其进行理论分析已比较容易。整体节点作为结构的重要组成部分，而节点的受力性能又是结构分析的关键，节点处存在大变形效应，残余应力等非线性因素。要想获得结构准确的受力性能，首先要对非线性理论及相关知识有明确的认识。引起非线性的原因大致分为几何非线性、材料非线性及状态非线性三种。

2.2几何非线性问题

因几何变形引起结构刚度改变的一类问题都属于几何非线性问题。单元刚度发生变化存在以下三种原因：

（1）单元形状改变引起的刚度变化；

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