基于STAAD.Pro和SSDD的大跨度钢桁架三维有限元分析

刁慧贤 宋浩静 凡 威 任威威

(1.中国电建集团河南省电力勘测设计院有限公司，河南 郑州 450000; 2.河南广播电视大学郑州信息科技职业学院，河南 郑州 450000)

1 概述

国外某电厂的三条取排水管线在某处需跨越一条地埋天然气管道和一条约4 m宽的道路。该处取排水管采用架空布置，由于征地权限问题，中间区域不能设置支座。设计考虑采用一跨为30 m的钢结构桁架支撑取排水管跨越天然气管道及道路，具体见图1。

PKPM和世纪旗云等软件通常只能计算平面钢结构桁架[1]，而STAAD.Pro是近年来工程中常用的三维有限元分析软件，它界面清晰、建模方便，计算快捷，后处理不仅能输出结构的应力变形结果，还可以结合SSDD软件对钢结构规范上要求的各个控制条款进行中国规范检验，相比平面桁架计算能更准确的模拟实际工况。本文采用STAAD.Pro和SSDD软件对上述30 m大跨度钢结构桁架进行三维有限元应力变形分析及规范检验，为大跨度钢结构桁架的设计和研究提供一定的理论支持。

2 建模计算

2.1 建立模型、指定构件、设置支座

各构件截面如表1所示，桁架平、立面图如图2，图3所示。在STAAD.Pro中建立模型并将所有的竖杆及斜杆指定为桁架构件(轴心受力构件)。钢结构桁架3D模型如图4所示。

考虑柱下端为固定支座，将柱下8个节点设置固定支座。

表1 桁架构件截面特性

2.2 荷载工况

2.2.1基本荷载工况

几何模型建立完成之后，添加基本荷载工况，施加在桁架构件上的基本荷载取值如表2所示。

表2 基本荷载工况取值

2.2.2组合荷载工况

根据SSDD中菜单“建模—一般结构荷载向导—组合工况—增加自动组合”。程序会自动根据GB 50011—2010建筑抗震设计规范(2016年版)及GB 50009—2012建筑结构荷载规范生成所有控制内力及位移的荷载组合。组合值系数如表3所示。

表3 荷载组合系数

3 计算结果分析

添加“perform analysis”命令进行分析计算，各构件计算结果如下。

3.1 内力计算结果

3.1.1柱内力计算结果

柱最大、最小内力计算结果如表4所示，基于此结果可以进行钢结构柱脚设计。

表4 柱最大、最小内力

3.1.2上、下弦杆内力计算结果

上、下弦杆最大、最小内力计算结果如表5所示。

表5 上、下弦杆最大、最小内力

3.1.3横担内力计算结果

横担最大、最小内力计算结果如表6所示。

表6 横担最大、最小内力

3.1.4轴心受力杆件内力计算结果

轴心受力的斜杆及竖杆最大、最小内力计算结果如表7所示。

表7 轴心受力杆最大、最小内力

基于上述内力计算结果，可以进行钢构件间的节点连接设计。

3.2 位移计算结果

3.2.1结构位移变形图

荷载工况128：1.0DL+1.0LL+1.0EX+0.2WF(其中DL指恒荷载，LL指活荷载，EX指x方向地震水平力，WF指前风荷载)是控制位移的典型工况之一，工况128条件下的结构位移变形以1∶1 000比例显示,如图5所示。该工况下最大位移为6.76 mm，发生在第47号节点处。

3.2.2层间相对位移

添加“Print story drift”命令，输出结构的相对层间位移，最大值如图6所示。

如图6所示，该钢结构桁架最大相对层间位移为L/1 032。根据GB 50017—2017钢结构设计规范，相对层间位移限值为L/400，L为层高[2]。故该钢结构桁架层间位移满足规范要求。

3.3 普钢规范检验

分别指定材料设计参数、构件设计参数，然后进行普钢规范检验。检验条款如表8所示，检验结果以应力比的形式体现，如图7所示。应力比是规范检验相关的系数，为各检验条款实际值与限值的比值。每个构件应力比大于1.00，表示构件破坏，应力比小于0.30，表示构件过于安全，应力比处于0.30～1.0之间，表示构件截面通过检验，既不破坏也不过于浪费。结果显示，该钢结构桁架各构件均通过所有检验条款，无破坏构件、无过于安全构件。

表8 普钢规范检验条款

4 结语

本文以30 m跨度的钢结构过路桁架为例，基于STAAD.Pro和SSDD软件，进行结构的三维有限元应力变形分析，并对规范上要求的所有条款基于中国规范进行检验。计算过程简单方便，输出结果清晰明了，可靠度较高。计算过程中应注意以下几点：

1)桁架模型中的斜杆和竖杆为轴心受力构件，建模过程中应进行约束释放或将该构件指定为桁架构件。

2)建模过程中应注意构件的放置方向是否跟主受力方向一致，若不一致，应对构件指定合适的Beta角，调整至与主受力方向一致。

3)进行普钢规范检验设置构件设计参数时，应分清各构件的构件类型。这一步是构件正确进行规范检验的前提。