李建芳

(同濟大學土木工程學院，上海 200092)

1 節(jié)點尺寸及節(jié)點構(gòu)造

對于一般工字梁與方鋼管柱剛接節(jié)點，通常做法是在方管柱內(nèi)梁翼緣處對應設(shè)置兩道橫向加勁肋。而對于圓鋼管與方管柱剛接節(jié)點，由于受力及計算假定(剛接、鉸接)不同，加勁可有不同的設(shè)置，甚至可以不設(shè)置。本文所述節(jié)點為某項目99 m跨桁架上弦桿與柱連接節(jié)點，計算模型中假定為剛接，節(jié)點十分重要，節(jié)點設(shè)計時也相對謹慎，確保節(jié)點安全可靠。對于該柱頭節(jié)點，本文給出了五種構(gòu)造形式，節(jié)點構(gòu)造及桿件截面如圖1所示。節(jié)點1鋼管柱內(nèi)只加一塊20 mm橫向加勁肋;節(jié)點2加2塊20 mm加勁肋;節(jié)點3柱內(nèi)加20 mm十字板豎向加勁肋;節(jié)點4加20 mm十字板豎向加勁肋以及1塊20 mm橫向加勁肋;節(jié)點5加2塊20 mm加勁肋以及4塊寬度為150 mm豎向加勁肋。在有限元分析過程中，不考慮柱頭封頭板的作用。通過有限元來比較分析節(jié)點在同一工況下的受力狀況，同時，對幾種節(jié)點的剛度進行對比分析，最終給出安全可靠，傳力合理，施工可行的節(jié)點構(gòu)造形式。

圖1 5種節(jié)點構(gòu)造

2 有限元模型

節(jié)點采用實體單元來模擬，單元采用C3D8R。通過AUTOCAD建立節(jié)點實體模型，然后導入到ABAQUAS，在網(wǎng)格劃分時，考慮到弦桿有部分彎矩的作用，方管柱在厚度方向分層，減少單元劃分對計算結(jié)果的影響。計算時考慮材料非線性，幾何非線性。鋼材為Q345B，采用雙折線模型，硬化階段切線模量取為彈性模量的1%，如圖2所示。

方鋼管柱底部采用固結(jié)約束，對四周弦桿施加荷載。荷載組合選自Midas整體模型計算結(jié)果。其中彎矩通過等效桿件端點剪力的方式施加，即通過在弦桿端部施加剪力來得到節(jié)點彎矩。節(jié)點所加荷載如表1所示。

圖2 鋼材本構(gòu)關(guān)系曲線

表1 桿件荷載表 kN

3 靜力工況下結(jié)果比較分析

圖3給出了5種節(jié)點的計算結(jié)果。由圖中可以看出，節(jié)點2，節(jié)點4，節(jié)點5等效應力最大值比較接近，分別為131.7 N/mm2，126.2 N/mm2，138.4 N/mm2;而節(jié)點 1 和節(jié)點 3 等效應力最大值大得多，分別為 307.4 N/mm2，267.5 N/mm2。由此可知，節(jié)點 2，節(jié)點4，節(jié)點5傳力較為合理，而節(jié)點1，節(jié)點3傳力不合理。

圖3 節(jié)點等效應力云圖

通過對節(jié)點變形深入分析，可以看出，對于桿件軸力，橫隔板可以起到加勁作用，可以保證方管柱翼緣及腹板共同工作，而十字豎向加勁板，當兩側(cè)有不平衡軸力時，鋼管壁在平面外受力，板極易屈曲。有彎矩作用時，雙橫隔板可以將彎矩轉(zhuǎn)換成力偶，而單橫隔板抵抗彎矩的能力較小。十字豎隔板對節(jié)點抵抗彎矩有較好的作用。

通過比較可以看出，桿件在受到軸力和彎矩共同作用下，節(jié)點1及節(jié)點3傳力不合理，在節(jié)點設(shè)計時應避免采用。

4 節(jié)點抗彎剛度比較分析

對于此剛接節(jié)點，排除了節(jié)點1，節(jié)點3的做法，對于剩下的3種節(jié)點構(gòu)造形式，可進一步通過節(jié)點抗彎剛度來判斷最優(yōu)節(jié)點。

對單根桿件P406X20端頭施加豎向位移，通過柱端約束反力可得到施加荷載大小。5種節(jié)點荷載位移曲線如圖4所示。

圖4 節(jié)點荷載位移曲線圖

圖4中，在彈性階段時，節(jié)點2，節(jié)點3，節(jié)點4，節(jié)點5抗彎剛度接近;節(jié)點進入塑性時，節(jié)點5桿件抗彎剛度最大，節(jié)點2次之，節(jié)點3和節(jié)點4抗彎剛度幾乎相同，節(jié)點1抗彎剛度最小。由此可以得出結(jié)論，雙橫向隔板加勁節(jié)點抗彎承載力大于十字豎向加勁板節(jié)點抗彎承載力，雙橫向隔板加勁節(jié)點抗彎剛度也大于十字豎向加勁節(jié)點抗彎剛度。在制作條件許可的情況下，應優(yōu)先選擇雙橫隔板加勁節(jié)點。

5 結(jié)語

通過有限元分析可知，無論是從傳力合理的角度，還是從節(jié)點抗彎剛度方面來講，雙橫向隔板加勁節(jié)點都能較好的滿足要求。最終，在焊接可行的情況下，我們選擇了節(jié)點5的構(gòu)造形式。

通過本文的分析可知，對于此類節(jié)點，在構(gòu)造時要充分考慮節(jié)點受力要求，是剛接還是鉸接;在設(shè)置加勁板時，軸力和彎矩也需要區(qū)別對待。主要得到以下幾點結(jié)論:

1)十字豎向加勁和雙橫向隔板加勁對節(jié)點抗彎都有較好的效果，但十字豎向加勁板節(jié)點抗彎承載力小于雙橫向加勁板節(jié)點的抗彎承載力。2)橫向隔板加勁對節(jié)點抵抗軸力作用有較好的效果，而十字豎向加勁對節(jié)點抵抗軸力作用效果不佳。

［1］GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］JGJ 61-2003，建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程［S］.

［3］李國強，周觀根，蔡建良，等.大連國際會議中心復雜空間節(jié)點設(shè)計與有限元分析［J］.空間結(jié)構(gòu)，2011，17(3)：55-60.

［4］彭志楨，王智勤.基于ABAQUES的RC框架頂層端節(jié)點有限元分析［J］.重慶交通大學學報，2010，29(5)：677-680.