某項(xiàng)目柱子節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)合理性的對(duì)比分析

李建芳

(同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092)

1 節(jié)點(diǎn)尺寸及節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

對(duì)于一般工字梁與方鋼管柱剛接節(jié)點(diǎn)，通常做法是在方管柱內(nèi)梁翼緣處對(duì)應(yīng)設(shè)置兩道橫向加勁肋。而對(duì)于圓鋼管與方管柱剛接節(jié)點(diǎn)，由于受力及計(jì)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(diǎn)為某項(xiàng)目99 m跨桁架上弦桿與柱連接節(jié)點(diǎn)，計(jì)算模型中假定為剛接，節(jié)點(diǎn)十分重要，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)也相對(duì)謹(jǐn)慎，確保節(jié)點(diǎn)安全可靠。對(duì)于該柱頭節(jié)點(diǎn)，本文給出了五種構(gòu)造形式，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造及桿件截面如圖1所示。節(jié)點(diǎn)1鋼管柱內(nèi)只加一塊20 mm橫向加勁肋;節(jié)點(diǎn)2加2塊20 mm加勁肋;節(jié)點(diǎn)3柱內(nèi)加20 mm十字板豎向加勁肋;節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(guò)程中，不考慮柱頭封頭板的作用。通過(guò)有限元來(lái)比較分析節(jié)點(diǎn)在同一工況下的受力狀況，同時(shí)，對(duì)幾種節(jié)點(diǎn)的剛度進(jìn)行對(duì)比分析，最終給出安全可靠，傳力合理，施工可行的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式。

圖1 5種節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

2 有限元模型

節(jié)點(diǎn)采用實(shí)體單元來(lái)模擬，單元采用C3D8R。通過(guò)AUTOCAD建立節(jié)點(diǎn)實(shí)體模型，然后導(dǎo)入到ABAQUAS，在網(wǎng)格劃分時(shí)，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?jiǎng)澐謱?duì)計(jì)算結(jié)果的影響。計(jì)算時(shí)考慮材料非線(xiàn)性，幾何非線(xiàn)性。鋼材為Q345B，采用雙折線(xiàn)模型，硬化階段切線(xiàn)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(duì)四周弦桿施加荷載。荷載組合選自Midas整體模型計(jì)算結(jié)果。其中彎矩通過(guò)等效桿件端點(diǎn)剪力的方式施加，即通過(guò)在弦桿端部施加剪力來(lái)得到節(jié)點(diǎn)彎矩。節(jié)點(diǎn)所加荷載如表1所示。

圖2 鋼材本構(gòu)關(guān)系曲線(xiàn)

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(diǎn)的計(jì)算結(jié)果。由圖中可以看出，節(jié)點(diǎn)2，節(jié)點(diǎn)4，節(jié)點(diǎn)5等效應(yīng)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(diǎn) 1 和節(jié)點(diǎn) 3 等效應(yīng)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(diǎn) 2，節(jié)點(diǎn)4，節(jié)點(diǎn)5傳力較為合理，而節(jié)點(diǎn)1，節(jié)點(diǎn)3傳力不合理。

圖3 節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力云圖

通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)變形深入分析，可以看出，對(duì)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(dāng)兩側(cè)有不平衡軸力時(shí)，鋼管壁在平面外受力，板極易屈曲。有彎矩作用時(shí)，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(duì)節(jié)點(diǎn)抵抗彎矩有較好的作用。

通過(guò)比較可以看出，桿件在受到軸力和彎矩共同作用下，節(jié)點(diǎn)1及節(jié)點(diǎn)3傳力不合理，在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免采用。

4 節(jié)點(diǎn)抗彎剛度比較分析

對(duì)于此剛接節(jié)點(diǎn)，排除了節(jié)點(diǎn)1，節(jié)點(diǎn)3的做法，對(duì)于剩下的3種節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式，可進(jìn)一步通過(guò)節(jié)點(diǎn)抗彎剛度來(lái)判斷最優(yōu)節(jié)點(diǎn)。

對(duì)單根桿件P406X20端頭施加豎向位移，通過(guò)柱端約束反力可得到施加荷載大小。5種節(jié)點(diǎn)荷載位移曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 節(jié)點(diǎn)荷載位移曲線(xiàn)圖

圖4中，在彈性階段時(shí)，節(jié)點(diǎn)2，節(jié)點(diǎn)3，節(jié)點(diǎn)4，節(jié)點(diǎn)5抗彎剛度接近;節(jié)點(diǎn)進(jìn)入塑性時(shí)，節(jié)點(diǎn)5桿件抗彎剛度最大，節(jié)點(diǎn)2次之，節(jié)點(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)4抗彎剛度幾乎相同，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)抗彎承載力大于十字豎向加勁板節(jié)點(diǎn)抗彎承載力，雙橫向隔板加勁節(jié)點(diǎn)抗彎剛度也大于十字豎向加勁節(jié)點(diǎn)抗彎剛度。在制作條件許可的情況下，應(yīng)優(yōu)先選擇雙橫隔板加勁節(jié)點(diǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

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

通過(guò)本文的分析可知，對(duì)于此類(lèi)節(jié)點(diǎn)，在構(gòu)造時(shí)要充分考慮節(jié)點(diǎn)受力要求，是剛接還是鉸接;在設(shè)置加勁板時(shí)，軸力和彎矩也需要區(qū)別對(duì)待。主要得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

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

［1］GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guó)強(qiáng)，周觀(guān)根，蔡建良，等.大連國(guó)際會(huì)議中心復(fù)雜空間節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)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(diǎn)有限元分析［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，29(5)：677-680.