长输管线桁架设计中ANSYS建模比较

袁勇 潘月宇 孙玉杰

【摘要】本文简要介绍桁架跨越的断面形式，以倒梯形和倒三角形为例，分析了空间桁架建模的3种形式。

【關键词】 断面形式，空间桁架，有限元分析

前言

桁架跨越是长输管道工程中较常用的方式之一。适宜“∨”型冲沟及中小型河流。桁架跨越方式具有受力明确、技术成熟，在国内、外的设计、施工中得到了广泛的运用。

1、 断面形式选择

桁架跨越按断面形式通常采用分为矩形、梯形、倒梯形、正三角形、倒三角形等5种，桁架工程设计统计数据表明，在钢材用量方面，对于同跨度、同荷载设计条件下，梯形和倒梯形断面比方形断面少用钢材4%～8 %， 倒三角形比方形断面少用钢材8 %～15 % 。由此可见，倒三角形和倒梯形桁架断面形式不但结构轻巧、易于管道安装及人员通行，而且最经济。根据力学原理，对于均布荷载作用下的简支梁， 最大弯矩M = qL2/ 8 ，最大弯矩出现在简支梁的正中间，两侧的弯矩变化呈抛物线形变化。

靠近支座处的弯矩较小， 等截面桁架的截面高度特点不能充分发挥作用，因此，采用变截面桁架既能保证结构的强度、刚度、稳定性和变形要求， 又能使桁架结构各杆件充分发挥作用。而且，变截面桁架跨越的受力更趋于合理、经济。考虑到国内现有工程建设的现状，工期要求相对紧张，由于变截面桁架各个杆件的长度、焊接角度的不同，预制工期相对较长，因此，在设计过程中，兼顾到工期要求，可采用倒三角形和倒梯形两种等截面形式的桁架。

2、 有限元分析

2.1 计算模型

在桁架设计中，可采用国际上通用的有限元分析软件ANSYS进行建模分析，为模拟刚性节点和铰接节点，选用Beam188单元和 Beam44单元。Beam188 单元是三维空间的2 结点直线单元，每个节点有7 个自由度，包括3 个沿x ， y ， z 轴的平动自由度，3 个绕x ， y ， z 轴的转动自由度，还有一个可以激活的截面翘曲自由度；BEAM44单元是一种具有承受拉、压、扭转和弯曲能力的单元。单元每个节点有6个自由度：x、y、z方向的平移和x、y、z轴向的转动。通过定义KEYOPT（7） 和 KEYOPT（8）可以在单元坐标系上实现节点上的单元节点约束释放。因此可以模拟两端铰接的空间构件，不考虑杆件的弯曲以及扭转变形。

根据Beam188 单元和Beam44 单元的特点，桁架结构形式采用3 种不同的建模方式：方式一，弦杆和腹杆都采用Beam188 单元，即把节点当成完全刚性的，腹杆固结于弦杆之上；方式二，弦杆采用Beam188 单元，腹杆采用Beam44 单元，即把弦杆当成连续梁，腹杆是作用于弦杆上的链杆；方式三，弦杆和腹杆都采用Beam44单元，即把节点看成完全铰接，各杆单元只受轴向力作用。通过这3 种不同的建模形式来模拟不同的节点受力方式，进一步比较各种节点类型对结构整体变形和构件应力的影响。

2.2 结构荷载

根据不同阶段（正常使用阶段、试压阶段、检修阶段等），对各项荷载进行组合。

2.3 应力分析

针对ANSYS的分析结果，不存在钢结构杆件的稳定性计算，因此，应依照我国现有现行规范进行杆件稳定性的复核，从而完成3种计算模型的比较。

在设计桁架结构时，一般假定节点为铰接，荷载作用线均在桁架平面内，且通过节点。实际上，桁架节点处相交的杆件用直接焊接还是通过节点板连接方式，都难以实现纯粹的“铰”接，杆件端部多少都会有一定转动约束。节点弯矩对于桁架设计有多大程度的影响？通过对于同等跨度的跨越桁架（以倒三角形钢管桁架、倒梯形钢管桁架为分析对象）其主要杆件的应力分析结果如下：

72m倒梯形桁架计算结果分析

构件类型

建模方式 上弦最大压应力（N/mm2） 下弦最大拉应力（N/mm2） 腹杆最大拉应力（N/mm2） 腹杆最大压应力（N/mm2） 桁架竖向位移（mm）

方式一 115.72

（9.47%） 159.37

（6.56%） 79.93

（4.43%） 55.58

（4.89） 222.59

弦杆、腹杆全部刚接 1/323.5

方式二 109.24

（9.24%） 151.03

（6.76%） 77.76

（0.00%） 53.40

（0.00%） 211.46

弦杆刚接、腹杆铰接 1/340.5

方式三 95.30

（0.00%） 132.38

（0.00%） 72.59

（0.00%） 48.81

（0.00%） 200.07

弦杆、腹杆全部绞接 1/359.9

注：括号内为弯矩产生应力所占总应力的百分比

72m倒三角形桁架计算结果分析

构件类型

建模方式 上弦最大压应力（N/mm2） 下弦最大拉应力（N/mm2） 腹杆最大拉应力（N/mm2） 腹杆最大压应力（N/mm2） 桁架竖向位移（mm）

方式一 101.30

（11.74%） 133.34

（8.74%） 153.32

（9.09%） 89.92

（6.83） 234.36

弦杆、腹杆全部刚接 1/307.2

方式二 98.33

（12.33%） 126.25

（8.30%） 133.59

（0.00%） 90.36

（0.00%） 227.99

弦杆刚接、腹杆铰接 1/315.8

方式三 83.29

（0.00%） 105.08

（0.00%） 122.65

（0.00%） 82.75

（0.00%） 208.05

弦杆、腹杆全部绞接 1/346.1

注：括号内为弯矩产生应力所占总应力的百分比

3、 结论

通过分析比较，桁架设计中，节点弯矩产生的应力对杆件选择一般不起控制作用，但对于节点设计中应充分考虑复核；另外，在设计中，可以考虑以下几点：

1） 当以强度为控制条件时，建议采用方式一或方式二建模，上述方法计算结构应力比方式三大，从而能更好地满足安全性要求。

2） 当以变形为控制条件时，建议采用方式三建模，变形较大，能更好地保证实际结果满足变形控制要求。

3） 节点类型对大跨度钢桁架的整体变形影响不大，建模时可忽略节点弯矩的影响。

参考文献：

[1]沈祖炎 钢结构基本原理-（第二版） 北京：中国建筑出版社，2005.

[2]尚晓江，邱 峰等. ANSYS 结构有限元高级分析方法与范例应用[M] . 北京：中国水利水电出版社，2006.

[3] 《钢管截面的结构应用》[荷兰]J .沃登尼尔 著 张其林 译 同济大学出版社

作者简介：袁勇，1976年1月，男，祖籍：山东省东营市，工作单位：胜利油田胜利设计勘察设计研究院有限公司 海洋工程设计所，职务：高级工程师，学历：大学，研究方向：长输管线大中型穿跨越，联系方式：0546-8793460。