賈淑華

摘 要：本文結(jié)合中國大唐5G微基站華東基地展覽館工程的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行選型，基于鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際構(gòu)造形式建立有限元模型，對施工過程中的難點(diǎn)提出合理的應(yīng)對措施，保證結(jié)構(gòu)的安全性。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn);ANSYS有限元模擬;施工技術(shù)

中圖分類號：TU391文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：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展覽中心是集辦公、展覽、商業(yè)為一體的綜合性現(xiàn)代化展館，建筑設(shè)計(jì)地點(diǎn)為菏澤新世紀(jì)科技城內(nèi)，總建筑面積為16 956.61 m2，建筑高度為20.3 m，建筑結(jié)構(gòu)為型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)[1]。在本次施工建造中，對大跨度的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行焊接成為施工難點(diǎn)，本文對重點(diǎn)節(jié)點(diǎn)有限元建模后進(jìn)行靜力學(xué)性能分析，對焊接技術(shù)進(jìn)行控制。

1 有限元模型的建立

1.1 有限元建模的相關(guān)措施

利用有限元建模，是將工程實(shí)體轉(zhuǎn)化為一個能由計(jì)算機(jī)識別并進(jìn)行計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，是將結(jié)構(gòu)的內(nèi)在屬性通過數(shù)學(xué)方法進(jìn)行定性或者定量的展現(xiàn)。為了有效解決實(shí)際問題，就要對結(jié)構(gòu)單元的劃分精細(xì)度進(jìn)行控制，以保證計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在計(jì)算中的誤差。精細(xì)度的控制主要在于網(wǎng)格的劃分，對建模起決定性作用，但是對于網(wǎng)格劃分不要過于精細(xì)，過于精細(xì)會導(dǎo)致誤差增大。為了在設(shè)計(jì)中體現(xiàn)“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱構(gòu)件”的理念[2]，對節(jié)點(diǎn)構(gòu)件進(jìn)行精細(xì)化的分析顯得尤為重要，本文選取結(jié)構(gòu)中的重要節(jié)點(diǎn)為例子進(jìn)行建模分析，然后進(jìn)行連接技術(shù)闡述。

1.2 節(jié)點(diǎn)模擬

首先，節(jié)點(diǎn)是基于工程實(shí)例，在CAD的三維界面里面建立一個面域的形式，建立圖形時要保證各節(jié)點(diǎn)之間不要有間隙，以為建模時的運(yùn)算提供便利。在CAD中完成建模后，保存為ACAD格式，再從ANSYS中的工作目錄讀入，讀入后的結(jié)果為線框的形式，再建立實(shí)體面，然后進(jìn)行布爾運(yùn)算，連接為一個整體，定義材料為SHELL181單元，采用SHELL181單元模擬鋼結(jié)構(gòu)，所得的云圖能更好地反映鋼結(jié)構(gòu)的破壞特征[3]。定義截面屬性，然后再進(jìn)行截面屬性的劃分，劃分完畢后再進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分完后進(jìn)入約束和加載。結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的有限元模型如圖1所示。

有限元模型采用映射網(wǎng)格劃分，由于鋼結(jié)構(gòu)實(shí)際節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜性，對鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的建模進(jìn)行簡化，不考慮梁長以及其他自身材質(zhì)對節(jié)點(diǎn)受力的影響，對梁施加外力，不再建立節(jié)點(diǎn)焊縫，忽略焊接殘余應(yīng)力的影響，直接分析整體受力狀態(tài)[4]。節(jié)點(diǎn)整體位移和節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分別如圖2和圖3所示。

從應(yīng)力云圖可以看出，當(dāng)施加力時，節(jié)點(diǎn)處發(fā)生較大的位移，應(yīng)力首先在節(jié)點(diǎn)及梁翼緣被約束部位出現(xiàn)，逐漸向節(jié)點(diǎn)中心遞減;由于節(jié)點(diǎn)向下移動，斜拉梁上翼緣直接承受拉力，中間鋼柱的翼緣承受壓力，所以在交點(diǎn)處出現(xiàn)較大的應(yīng)力應(yīng)變，并在斜拉梁腹板與柱翼緣交接處出現(xiàn)奇異點(diǎn)，所以出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，對焊接質(zhì)量有較高的要求。工字梁由于腹板的約束，中部應(yīng)力最小，隨著力和位移的增加，應(yīng)力應(yīng)變隨著腹板向中間節(jié)點(diǎn)增大，并且在腹板與翼緣接觸的部位向四周增加。

2 基于有限元模型的技術(shù)探究

由于受力后節(jié)點(diǎn)連接處成為結(jié)構(gòu)的薄弱部位，因此焊接質(zhì)量的效果能直接影響鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性，確保焊接技術(shù)的控制，有利于整體工程質(zhì)量的提升。

2.1 焊接技術(shù)難點(diǎn)分析

在實(shí)際施工過程中，由于鋼結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜性，再加上現(xiàn)場焊接過程中其他輔助作業(yè)的影響，其焊接難度要遠(yuǎn)大于現(xiàn)場焊接試驗(yàn)的難度。首先，由于焊接工藝的影響，產(chǎn)生的熱量會使焊接過程出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象，造成焊接變形異常;其次，焊接技術(shù)對施工人員的技術(shù)水平要求比較高，在焊接過程中出現(xiàn)任何技術(shù)偏差都可能會造成焊接氣泡、裂紋、夾渣等不良現(xiàn)象;最后，焊接人員要對焊接過程進(jìn)行記錄，在焊接完成后根據(jù)國家要求規(guī)定進(jìn)行檢測[5]。

2.2 現(xiàn)場焊接技術(shù)措施

首先，通過現(xiàn)場試驗(yàn)得出結(jié)論，在焊接過程中，要嚴(yán)格控制焊縫之間的間隔，減小焊接產(chǎn)生熱量的影響（焊縫之間的間隔控制在0.5～1 h），同時選擇環(huán)境溫度較低的時間段，也可以減少焊接熱量的影響。其次，焊接人員的技術(shù)水平對焊接質(zhì)量有直接影響，施工隊(duì)伍選用一批具有專業(yè)技術(shù)能力的焊接人才，結(jié)合實(shí)際施工情況進(jìn)行專業(yè)技術(shù)交底，并進(jìn)行現(xiàn)場模擬件的焊接試驗(yàn)，在焊接前熟悉焊接流程，在焊接過程中控制焊縫尺寸，使其保持均勻?qū)ΨQ。焊接人員也可采用逆向法回焊，在一定程度上避免焊縫膨脹，也可通過控制焊接順序，及時消除焊接應(yīng)力。最后，焊接人員在焊接之前要做好相應(yīng)的預(yù)熱處理和焊接完成后的冷處理，以有效減少焊縫的出現(xiàn)。

3 結(jié)語

本文利用有限元軟件ANSYS對鋼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模擬，從應(yīng)力云圖和節(jié)點(diǎn)位移圖中得到了節(jié)點(diǎn)受力的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)而進(jìn)行焊縫技術(shù)的重點(diǎn)難點(diǎn)分析及現(xiàn)場施工的難點(diǎn)落實(shí)，從現(xiàn)場實(shí)際出發(fā)，最大程度上保證工程質(zhì)量，滿足實(shí)際工程的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]曾鵬飛.混凝土與鋼結(jié)構(gòu)工程中的建筑工程施工技術(shù)研究[J].建材與裝飾，2019（6）：31-32.

[2]騰光輝.建筑鋼結(jié)構(gòu)高性能鋼焊接技術(shù)的探討[J].施工技術(shù)，2019（44）：35-36

[3]李石峰，占長志.分析鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)及其質(zhì)量管理[J]新技術(shù)應(yīng)用與實(shí)踐，2019（44）：174-175

[4]劉永科.鋼結(jié)構(gòu)建造中焊接變形原因分析及改進(jìn)措施[J]中國設(shè)備工程，2019（3）：229-230.

[5]柴文靜，張新愛，孫超.型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)施工技術(shù)及應(yīng)力分析[J].施工技術(shù)，2017（4）：100-104.