立柱底脚是固支好还是铰支好？用仿真告诉你答案！

    本号货架行业重要客户的工程师提出来一个问题：钢平台立柱的底脚到底是固定支座好还是铰接支座好。如果是固定支座，底脚需要用更多更强的化学螺栓；如果是铰接支座，底脚可以用更少的化学螺栓。

    自从学会了有限元分析，仿真就能告诉你答案！

    本文通过仿真分析，对比立柱底脚采用固定支座和铰接支座两种情况。对比工况一：自重作用；对比工况二：自重作用+左右方向地震作用；对比工况三：自重作用+前后方向地震作用。

    只取钢平台一部分作为分析对象。如下图所示。

    采用梁单元进行仿真分析，短边通过段数控制梁单元尺寸，长边通过尺寸控制梁单元尺寸。

    立柱底脚固定支座。

    立柱底脚铰接支座。

    自重。

    左右方向地震作用。

    前后方向地震作用。

    对比工况一：自重作用。

    三个方向的位移对比：

    自重作用下，固支和铰支的位移结果基本一致。

    底脚的拉伸压缩应力对比：

    固支和铰支的拉伸压缩应力结果基本一致。

    底脚的弯曲应力对比：

    铰支不能传递弯矩，所以底脚的弯曲应力极小。自重作用下，产生的弯矩很小，所以固支的底脚的弯曲应力也不算大。

    对比工况二：自重作用+左右方向地震作用。

    三个方向的位移对比：

    在左右方向地震作用下，固支和铰支的左右方向(X方向)位移结果差别较大，同时前后方向的位移结果也受到影响。

    底脚的拉伸压缩应力对比：

    固支和铰支的拉伸压缩应力结果基本一致。

    底脚的弯曲应力对比：

    铰支不能传递弯矩，所以底脚的弯曲应力极小。在左右方向地震作用下，会产生侧向弯矩，所以固支的底脚的弯曲应力较大。

    对比工况三：自重作用+前后方向地震作用。

    三个方向的位移对比：

    在前后方向地震作用下，固支和铰支的前后方向(Z方向)位移结果差别很小，这是因为钢平台前后立柱之间布满了斜撑，所以不论是底脚固支还是铰支，钢平台的前后方向抗侧刚度都非常好。

    底脚的拉伸压缩应力对比：

    固支和铰支的拉伸压缩应力结果基本一致。

    底脚的弯曲应力对比：

    铰支不能传递弯矩，所以底脚的弯曲应力极小。在前后方向地震作用下，会产生侧向弯矩，所以固支的底脚存在弯曲应力。

    对于本文的分析模型。

    左右方向（X方向）由于立柱之间没有斜撑，钢平台的左右方向的抗侧刚度不足，在这种场景下，立柱底脚固支还是铰支的区别较大，固支的侧向变形小，但底脚的弯曲应力大。

    前后方向（Z方向）由于立柱之间有斜撑，钢平台的前后方向的抗侧刚度好，在这种场景下，立柱底脚固支还是铰支的区别不大，铰支底脚没有弯曲应力，固支底脚的弯曲应力也不会大。

    总结来说，底脚固支和铰支在自重作用下，没有明显区别。在地震作用下，如果钢平台自身的抗侧刚度较好，底脚固支和铰支的区别就较小；如果钢平台自身的抗侧刚度不好，底脚固支和铰支的区别就较大。

    钢平台的抗侧刚度主要取决于三个因素：

    1）底脚固支的抗侧刚度大于底脚铰支，即本文探讨的问题；

    2）立柱之间增加斜撑类似形成格构式支柱，抗侧刚度会明显提升；

    3）自身抗弯惯性矩大的立柱抗侧刚度也大；

    最后对本号的客户工程师说一句：如果钢平台的自身抗侧刚度比较大，尤其是水平两个方向的立柱都充分布置了斜撑，那么底脚是固支还是铰支，区别不会太大。铰支钢平台的变形会略大一点，固支钢平台的应力会略大一点。如果钢平台存在某个方向的抗侧刚度不足，那么这个场景下，采用铰支则不太合适，因为钢平台在侧向力(地震或者风载)作用下，变形会较大，可能存在安全隐患。