基于有限元分析的钢结构节点技术分析

贾淑华

摘 要：本文结合中国大唐5G微基站华东基地展览馆工程的钢结构节点进行选型，基于钢结构节点的实际构造形式建立有限元模型，对施工过程中的难点提出合理的应对措施，保证结构的安全性。

关键词：钢结构节点;ANSYS有限元模拟;施工技术

中图分类号：TU391文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）31-0097-02

Technical Analysis of Steel Structure Joints Based on Finite Element Analysis

JIA Shuhua

（Yunnan Agricultural University，Kunming Yunnan 650000）

Abstract： In this paper， combined with the steel structure node selection of China Datang 5G micro base station east China base exhibition hall project， the finite element model was established based on the actual structural form of steel structure node， and reasonable countermeasures were proposed to ensure the safety of the structure.

Keywords： steel structure joint;ANSYS finite element simulation;construction technology

大唐5G展览中心是集办公、展览、商业为一体的综合性现代化展馆，建筑设计地点为菏泽新世纪科技城内，总建筑面积为16 956.61 m2，建筑高度为20.3 m，建筑结构为型钢混凝土组合结构[1]。在本次施工建造中，对大跨度的钢结构节点进行焊接成为施工难点，本文对重点节点有限元建模后进行静力学性能分析，对焊接技术进行控制。

1 有限元模型的建立

1.1 有限元建模的相关措施

利用有限元建模，是将工程实体转化为一个能由计算机识别并进行计算的数学模型，是将结构的内在属性通过数学方法进行定性或者定量的展现。为了有效解决实际问题，就要对结构单元的划分精细度进行控制，以保证计算机系统在计算中的误差。精细度的控制主要在于网格的划分，对建模起决定性作用，但是对于网格划分不要过于精细，过于精细会导致误差增大。为了在设计中体现“强节点、弱构件”的理念[2]，对节点构件进行精细化的分析显得尤为重要，本文选取结构中的重要节点为例子进行建模分析，然后进行连接技术阐述。

1.2 节点模拟

首先，節点是基于工程实例，在CAD的三维界面里面建立一个面域的形式，建立图形时要保证各节点之间不要有间隙，以为建模时的运算提供便利。在CAD中完成建模后，保存为ACAD格式，再从ANSYS中的工作目录读入，读入后的结果为线框的形式，再建立实体面，然后进行布尔运算，连接为一个整体，定义材料为SHELL181单元，采用SHELL181单元模拟钢结构，所得的云图能更好地反映钢结构的破坏特征[3]。定义截面属性，然后再进行截面属性的划分，划分完毕后再进行网格划分，划分完后进入约束和加载。结构节点的有限元模型如图1所示。

有限元模型采用映射网格划分，由于钢结构实际节点的复杂性，对钢结构节点的建模进行简化，不考虑梁长以及其他自身材质对节点受力的影响，对梁施加外力，不再建立节点焊缝，忽略焊接残余应力的影响，直接分析整体受力状态[4]。节点整体位移和节点的应力分别如图2和图3所示。

从应力云图可以看出，当施加力时，节点处发生较大的位移，应力首先在节点及梁翼缘被约束部位出现，逐渐向节点中心递减;由于节点向下移动，斜拉梁上翼缘直接承受拉力，中间钢柱的翼缘承受压力，所以在交点处出现较大的应力应变，并在斜拉梁腹板与柱翼缘交接处出现奇异点，所以出现应力集中现象，对焊接质量有较高的要求。工字梁由于腹板的约束，中部应力最小，随着力和位移的增加，应力应变随着腹板向中间节点增大，并且在腹板与翼缘接触的部位向四周增加。

2 基于有限元模型的技术探究

由于受力后节点连接处成为结构的薄弱部位，因此焊接质量的效果能直接影响钢结构节点的稳定性，确保焊接技术的控制，有利于整体工程质量的提升。

2.1 焊接技术难点分析

在实际施工过程中，由于钢结构本身的复杂性，再加上现场焊接过程中其他辅助作业的影响，其焊接难度要远大于现场焊接试验的难度。首先，由于焊接工艺的影响，产生的热量会使焊接过程出现不均匀的现象，造成焊接变形异常;其次，焊接技术对施工人员的技术水平要求比较高，在焊接过程中出现任何技术偏差都可能会造成焊接气泡、裂纹、夹渣等不良现象;最后，焊接人员要对焊接过程进行记录，在焊接完成后根据国家要求规定进行检测[5]。

2.2 现场焊接技术措施

首先，通过现场试验得出结论，在焊接过程中，要严格控制焊缝之间的间隔，减小焊接产生热量的影响（焊缝之间的间隔控制在0.5～1 h），同时选择环境温度较低的时间段，也可以减少焊接热量的影响。其次，焊接人员的技术水平对焊接质量有直接影响，施工队伍选用一批具有专业技术能力的焊接人才，结合实际施工情况进行专业技术交底，并进行现场模拟件的焊接试验，在焊接前熟悉焊接流程，在焊接过程中控制焊缝尺寸，使其保持均匀对称。焊接人员也可采用逆向法回焊，在一定程度上避免焊缝膨胀，也可通过控制焊接顺序，及时消除焊接应力。最后，焊接人员在焊接之前要做好相应的预热处理和焊接完成后的冷处理，以有效减少焊缝的出现。

3 结语

本文利用有限元软件ANSYS对钢节点进行模拟，从应力云图和节点位移图中得到了节点受力的薄弱环节，进而进行焊缝技术的重点难点分析及现场施工的难点落实，从现场实际出发，最大程度上保证工程质量，满足实际工程的建设标准。

参考文献：

[1]曾鹏飞.混凝土与钢结构工程中的建筑工程施工技术研究[J].建材与装饰，2019（6）：31-32.

[2]腾光辉.建筑钢结构高性能钢焊接技术的探讨[J].施工技术，2019（44）：35-36

[3]李石峰，占长志.分析钢结构焊接技术及其质量管理[J]新技术应用与实践，2019（44）：174-175

[4]刘永科.钢结构建造中焊接变形原因分析及改进措施[J]中国设备工程，2019（3）：229-230.

[5]柴文静，张新爱，孙超.型钢混凝土组合结构施工技术及应力分析[J].施工技术，2017（4）：100-104.