阿布扎比国际机场航站楼拱桁架中T形节点设计.docx
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阿布扎比国际机场航站楼拱桁架中T形节点设计
阿布扎比国际机场航站楼拱桁架中T形节点设计
摘 要:
采用ANSYS软件对阿布扎比国际机场航站楼拱桁架中的方支管-H型钢弦杆的T形节点进行分析。
分析结果表明:
随着弦杆轴向压力的增大,节点承载力有一定的降低。
另外,弦杆与腹杆的不同受力情况,决定了弦杆翼缘的不同屈曲形态。
列出典型的3种翼缘变形状态,并给出不同屈曲形态的受力分布区域,为设计提供了方案选择的便利。
关键词:
节点; 屈曲分析; ANSYS
1 工程背景
阿布扎比国际机场(Abu Dhabi International Airport)航站楼位于阿联酋的首都阿布扎比市,耗资高达68亿美元,整体效果如图1所示。
机场的航站楼出港大厅的屋顶结构层由18个主拱桁架和36个次拱桁架组成。
拱桁架平面整体布置模型(Tekla)如图2所示。
主拱桁架跨度最大长达179.4 m,相应矢高为41.1 m,拱高为4.5 m。
每个主拱桁架为由两榀平面拱桁架共用下弦且相交60°夹角所组成的空间桁架结构。
节点设计在钢结构设计中有着举足轻重的地位,尤其是当杆件交汇繁多、空间关系复杂导致设计难度增大时,节点设计更为重要。
阿布机场航站楼项目拱桁架节点设计的重要性也不例外。
在进行该项目拱桁架节点设计时遇到如图3所示的由H型钢弦杆与方支管腹杆组成的T形节点。
方管在用作轴向受力构件时,具有很好的经济适用性。
H型钢具有较好的轴向受力性能,当H型钢兼作受弯构件时,其经济适用性体现得更加突出。
所以,在该项目拱桁架中采用了方管作腹杆承担轴向力,H型钢作为弦杆兼受轴向力和弯矩,既符合受力性能要求又达到了经济的目的。
从施工角度看,采用H型钢作为弦杆,当需要在弦杆上开孔架设檩条或其他构件时也更为便利;方管与H型钢组成T形节点,相贯线都为直线,为节点的焊接施工减小了难度。
图1 阿布扎比国际机场航站楼总体效果
图2 拱桁架平面布置(Tekla)
图3 主拱桁架与T形节点构造
在H型钢弦杆腹板平面外有连接2榀拱平面桁架的撑杆,如图3所示。
原本该T形节点采用图4a作为其构造,但在设计时,出现了H型钢弦杆局部屈曲不满足设计要求的情况。
此时,若增大H型钢截面,则直接导致工程造价提升。
为了降低造价,又便于腹板平面外方向撑杆的布置,提出了在弦杆内布置加劲肋的方案(图4b、图4c),以满足设计的质量要求。
a-腹板无加劲肋(方案1);b-腹板一侧加一肋,另一侧加
半肋(方案2);c-腹板每侧加两肋(方案3)。
1-满肋的一侧;2-部分肋;3-每侧2个满肋。
注:
S为方管与H型钢焊接的焊脚尺寸。
图4 节点构造方案
2 国内外研究现状及分析
J Wardenier等最早于1982年提出方管 - H型钢T形节点的承载力计算式,指出方管破坏和弦杆腹板的破坏对该形式节点极限承载力起着控制作用,并给出了该节点承载力的计算式[1 - 2]:
N1,Rd=fy1twbwsinθi
(1a)
Ni,Rd=2fyitibeff
(1b)
其中
≤bi+hi-2ti
式中:
Nl,Rd为弦杆承载力,Ni,Rd为方管承载力,节点的极限承载力取两者的较小值;fy1为H型钢弦杆的屈服强度;tw为H型钢弦杆的腹板厚度;bw为H型钢弦杆的有效宽度;r为H型钢的导角半径;θi为弦杆与腹杆的夹角;fyi为方管型钢腹杆的屈服强度;ti为方管型钢腹杆的管壁厚度;bi为方管型钢腹杆的截面宽度;hi为方管型钢腹杆的截面高度;beff为方管型钢腹杆的有效宽度。
J Wardenier还指出局部屈曲控制的条件,即H型钢应满足高厚比和宽厚比在一定范围内,该计算方法后来被欧标采用[3]。
该计算方法的不足之处在于只考虑腹杆所受轴向力作用下节点的承载力,对于弦杆承受轴向压力时弦杆局部屈曲考虑不足。
吴颖等研究了薄壁型钢方管与H型钢主管连接所形成的T形节点的轴压性,指出其破坏时,节点连接处的腹杆上发生了局部屈曲;由此提出在腹杆的连接部位设置加劲肋的方式来提高节点轴压性能承载力的方法,并且进行了相关的试验及数值分析[4 - 5]。
但是,对于弦杆屈曲的研究尚为欠缺。
针对本工程中方支管 - H型钢弦杆T形节点,本文根据图5所示的节点边界条件,研究了f1与f2的相关性对于弦杆的屈曲影响。
1-弦杆;2-腹杆。
图5 节点边界条件
3 节点承载力计算及有限元分析
以某拱桁架中部的T形节点为例,建立有限元模型。
其上弦杆为H350×350×20×20,跨度为3.61 m。
腹杆截面为RHS250×14.2,高度为1.66 m。
加劲肋厚度为40 mm。
钢材等级为S355,屈服强度为355 MPa。
采用Shell 181单元进行模拟分析。
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