摘要：梁、柱节点作为钢框架中的关键连接部分，直接影响着结构在荷载作用下的整体性能。本文运用ANSYS软件，对最不利荷载组合工况作用下梁柱刚接节点数值模型进行计算分析，得到了连接节点各组件相应的应力分布，并提出一些改进的建议。
关键词：脱销,钢支架结构,刚性节点,应力分析
火力发电厂脱硝钢支架结构主要支撑一次风机烟道、SCR脱硝反应器、进出口烟道，平台扶梯、管道等附属设施，由于整体结构高度大、跨度大、自重大，对梁和柱将产生较大的作用效应。梁、柱节点作为钢框架中的关键连接部分，起着传递构件之间的弯矩和剪力的作用，其连接性能直接影响着整个结构在荷载作用下的整体性能。本文运用ANSYS软件对脱硝钢支架结构刚性节点进行数值模拟，重点分析节点连接部位和螺栓的应力分布，以期为钢结构梁柱节点的设计提供参考。
1 有限元模型
建立有限元实体模型，考虑到边界效应，柱的截面高度相对梁截面高度适当选大，刚性连接节点模型柱高为4.0 m，梁长为2.5 m，采用10.9级M20摩擦型高强螺栓，连接板厚度为10 mm。在ANSYS中定义了Q345和20MnTiB两种钢的材料模型，梁柱翼缘、腹板、加劲板、连接板为Q345钢，螺母、栓体及垫圈为20MnTiB钢。材料为各向同性，弹性模量取2.06×105 MPa，泊松比取0.3，密度取7.8×10-6 kg/mm3，接触面摩擦系数为0.5。计算采用Von-Mises屈服准则，材料强化采用多线性随动强化准则。
图2 有限元模型
从整体结构的不同荷载组合中选取最不利组合工况，根据轴力图、剪力图和弯矩图，将荷载转化为有限元模型中柱端和梁自由端的等效荷载。
2 数值模拟结果
柱翼缘应力分布所示，从中可以看出柱翼缘应力分布对称合理。最大应力位于柱翼缘和梁翼缘焊接处，大小为93.6 MPa，远小于钢材的屈服强度，表明在此不利荷载工况作用下刚性连接节点柱翼缘局部受力性能较好。
梁腹板应力分布所示，梁腹板整体应力分布较为合理， 在100 MPa左右，应力较大的地方主要分布在上下两排螺栓孔，最大值约为327.0 MPa，主要由于螺栓孔的应力集中引起。应力集中导致的最大值小于材料屈服强度，该腹板的承载能力满足设计要求，局部应力集中可以通过现场焊接施工工艺进行改善，从而进一步降低螺栓孔周边的最大应力。
梁翼缘应力分布，梁翼缘整体应力分布合理，应力较大的地方位于梁腹板和柱翼缘交界处，主要由于应力集中引起，约为165.0 MPa，小于材料的屈服强度，梁翼缘的承载能力满足设计要求，受力性能较好。
连接板应力分布，从中可以看出，连接板整体应力在60 MPa左右，应力较大的地方主要分布在上下两排螺栓孔，最大值约为313.0 MPa，主要由于螺栓孔的应力集中引起。应力集中导致的最大值小于材料屈服强度，该连接板的承载能力满足设计要求，减缓局部的应力集中可以通过适当的增加连接板的厚度、改变螺栓孔尺寸和排列来实现。
加劲板应力分布，柱加劲板总体应力较小，最大应力位于与柱腹板和翼缘的连接处，约为77.0 Mpa，小于材料的屈服强度，该加劲板的承载能力满足设计要求，加劲板厚度和位置不同对梁柱连接节点的受力性能有较大影响。
螺栓的应力分布，在预紧力和荷载的共同作用下，螺栓整体应力均较大，约为490MPa，小于材料的屈服强度，承载能力满足设计要求，施加的预紧力在梁柱连接节点的受力分析过程中起到了作用。
3 结论
本文采用ANSYS软件，对最不利荷载组合工况作用下梁柱刚接节点数值模型进行了计算分析，得到了连接节点各组件(柱翼缘和加劲板，梁腹板和翼缘，连接板和螺栓)相应的应力分布，最大应力都小于材料的屈服强度，满足承载能力要求。脱硝钢支架结构采用的梁柱 刚性连接节点总体受力性能较好，但也有一些有待改进的地方，主要有以下几点：
(1) 腹板和连接板在螺栓孔周边应力较大，最大应力达到了327MPa，非常接近材料的屈服强度，主要是由于在这些位置应力集中引起的，同时数值模型没有考虑焊缝的补强效应和连接的光滑过度，导致计算得到的最大应力比实际应力要偏大，可以通过适当提高连接板的厚度以及焊接施工工艺。
(2) 对一些受力较大的梁柱刚性连接节点，可以在梁端下部加腋板加强梁端与柱的刚性连接，以提高梁柱连接节点的延性性能。
(3) 梁柱节点的受力分析仅局限于强度验算，脱硝钢支架结构具有高度高、跨度大等特点，柱的层高相对截面尺寸较大，应注意构件的整体稳定以及梁柱腹板的局部稳定设计。
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