劉利文

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

目前國內(nèi)外關(guān)于復(fù)雜空間相貫節(jié)點(diǎn)的研究較少，相關(guān)文獻(xiàn)主要集中于平面K、T、X型，以及TT、KK型節(jié)點(diǎn)上[1]。我國現(xiàn)行GB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]并沒有明確給出受力性能復(fù)雜的空間相貫節(jié)點(diǎn)的計(jì)算方法。因此，目前對復(fù)雜空間相貫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究具有重要的理論和實(shí)際意義。近年來對于受力性能復(fù)雜的空間相貫節(jié)點(diǎn)的研究多采用試驗(yàn)或有限元分析的方法[3]。本文以某超高層建筑工程為背景，選取其鋼桁架的關(guān)鍵空間相貫節(jié)點(diǎn)為研究對象，采用有限元方法對其設(shè)計(jì)承載力進(jìn)行驗(yàn)算并找出節(jié)點(diǎn)的薄弱部位，同時(shí)提出提高節(jié)點(diǎn)承載性能的加勁措施并進(jìn)行有限元驗(yàn)證分析。

1　計(jì)算模型

1.1　節(jié)點(diǎn)概況

如圖1所示，本文研究的節(jié)點(diǎn)桿件較多，構(gòu)造復(fù)雜，為提高節(jié)點(diǎn)的承載力，減少主管的變形，節(jié)點(diǎn)設(shè)置有插板。節(jié)點(diǎn)各桿件截面尺寸、插板厚度、分別見表1,節(jié)點(diǎn)采用Q345鋼。

圖1　節(jié)點(diǎn)三維示意

1.2　節(jié)點(diǎn)有限元模型建立

由于本文所研究的節(jié)點(diǎn)空間構(gòu)造較為復(fù)雜，利用常規(guī)的AutoCAD軟件建模較為困難，因此采用功能強(qiáng)大的三維建模軟件Rhino建立其幾何模型。根據(jù)圣維南原理，有限元模型中節(jié)點(diǎn)各桿件的長度取桿件直徑的3～4倍。如圖2所示，采用通用有限元軟件ABAQUS建立本文節(jié)點(diǎn)的有限元模型，其中模型的單元選用SR4(四節(jié)點(diǎn)減縮積分殼單元)單元。該空間相貫節(jié)點(diǎn)十分復(fù)雜，為提高模型計(jì)算效率，并同時(shí)保證模型的計(jì)算精度，模型的網(wǎng)格劃分應(yīng)采用四邊形單元為主的自由網(wǎng)格劃分方法，并應(yīng)對節(jié)點(diǎn)桿件相貫處的網(wǎng)格進(jìn)行加密。

圖2　節(jié)點(diǎn)有限元模型

桿件編號截面/mm桿件編號截面/mm1D406X285D406X162D377X186D325X103D406X287D245X84D406X288D377X189D600X301、3、4、7號桿的插板30 mm厚2號桿插板20 mm厚5、8號桿的插板18 mm厚6號桿的插板12 mm厚

節(jié)點(diǎn)模型采用Q345鋼，屈服強(qiáng)度為310 MPa(部分截面厚度大于16 mm小于35 mm則屈服強(qiáng)度取295 MPa)，彈性模量2.06×105MPa，泊松比取0.3，材料本構(gòu)采用理想彈塑性模型，服從von-Mises屈服準(zhǔn)則。節(jié)點(diǎn)的加載及邊界條件情況如圖3所示，除加載端為自由端外其余桿端邊界條件采用鉸接。為模擬最不利荷載工況下節(jié)點(diǎn)實(shí)際受力情況，從該結(jié)構(gòu)整體模型中提取節(jié)點(diǎn)加載端桿的軸力，并把該軸力作為外荷載施加在模型上(表2)。

圖3　節(jié)點(diǎn)加載及邊界條件示意

桿件編號軸力/kN 桿件編號軸力/kN428165573.56-16983042.59(頂部)-1519.5

1.3　節(jié)點(diǎn)有限元分析結(jié)果

節(jié)點(diǎn)的von-Mises應(yīng)力云圖見圖4，由圖可知4號、5號、8號桿與主管交匯處局部進(jìn)入塑性，節(jié)點(diǎn)其它區(qū)域仍處于彈性狀態(tài)，大部分桿件應(yīng)力小于200 MPa，插板與節(jié)點(diǎn)交匯處有應(yīng)力集中現(xiàn)象，4號插板局部高達(dá)295 MPa(已屈服)，其余大部分區(qū)域應(yīng)力較小(小于120 MPa)。由圖4可知節(jié)點(diǎn)整體變形較小，僅4號、5號、8號桿與主管交匯處主管局部區(qū)域變形較大，變形為0.7 mm，小于0.01d(約6 mm，d為桿件直徑)的極限變形值[4]，說明主管雖然未破壞但是局部區(qū)域已進(jìn)入塑性。根據(jù)圖4可判斷出4號、5號、8號桿與主桿交匯處的局部區(qū)域?yàn)楣?jié)點(diǎn)的薄弱區(qū)。

圖4　節(jié)點(diǎn)的von-Mises應(yīng)力云圖

1.4　節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)方案

目前鋼管節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)主要有：在主管內(nèi)部灌漿，增加主管壁厚、主管加套管、加墊板、主管內(nèi)外設(shè)置肋環(huán)，及加節(jié)點(diǎn)板等方法[5]。

其中在主管外設(shè)置與支管相連的加勁板可以分散支管端傳來的軸向荷載，減小相貫線處主管管壁荷載，達(dá)到提高節(jié)點(diǎn)承載力的目的[6]。

節(jié)點(diǎn)薄弱區(qū)在4號、5號、8號桿與主管相貫處區(qū)域。為提高節(jié)點(diǎn)承載性能，綜合考慮施工便利性及經(jīng)濟(jì)性，節(jié)點(diǎn)采用增設(shè)加勁板的加強(qiáng)方案。并根據(jù)其變形特點(diǎn)分析可知，節(jié)點(diǎn)薄弱區(qū)主管管壁產(chǎn)生凹陷變形，其變形呈豎向分布,即該區(qū)域豎向剛度較弱，應(yīng)給予加強(qiáng)。因此如圖5所示增設(shè)加勁板(板厚30 mm)。其von-Mises應(yīng)力云圖見圖6，可知在增加加勁板后其薄弱區(qū)應(yīng)力下降到250 MPa，其承載力得到顯著提高。

(a)加勁板位置　 (b)加勁板圖5　節(jié)點(diǎn)加勁

圖6　節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)后的應(yīng)力云圖

2　結(jié)論

根據(jù)以上有限元分析可以得出以下結(jié)論和建議。

(1)有限元結(jié)果表明，在最不利工況下節(jié)點(diǎn)整體處于彈性狀態(tài)，變形很小，仍有一定安全儲備，滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)通過有限元分析可以直觀的發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的薄弱區(qū)。在節(jié)點(diǎn)的薄弱區(qū)根據(jù)其受力特點(diǎn)合理的設(shè)置加勁板，可以有效的改善節(jié)點(diǎn)薄弱區(qū)的受力狀況，提高其承載力。建議采用該方式來提高此類節(jié)點(diǎn)承載能力。

(3)本文有限元模型忽略了焊縫及殘余應(yīng)力的影響，有待日后進(jìn)一步的研究。