網(wǎng)架鑄鋼空心球節(jié)點的設(shè)計與有限元分析

寶鋼鋼構(gòu)有限公司 上海 200933

1 工程概況

某博物館建筑面積約為16 300 m2，整個鋼網(wǎng)架屋面呈鹽結(jié)晶體形狀，形式新穎獨特（圖1）。鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架通過節(jié)點支座，與柱頂（或柱側(cè)面）混凝土鋼板埋件連接。原結(jié)構(gòu)設(shè)計僅提供XSTEEL模型圖，主要桿件交匯節(jié)點如圖2所示，鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點需進行深化設(shè)計。

2 節(jié)點設(shè)計難點及特點

（a）本項目鋼結(jié)構(gòu)框架呈空間多維三角面，主要桿件采用Q345圓管桿件相貫相接，桿件長短不一，相貫種類多樣；

（b）節(jié)點設(shè)計主要包含3 項內(nèi)容：成品支座、鑄鋼件節(jié)點、管管相貫節(jié)點，原結(jié)構(gòu)設(shè)計均未明確，需補充節(jié)點深化設(shè)計；

（c）依據(jù)設(shè)計構(gòu)思，部分鋼管匯集節(jié)點采用剛性節(jié)點，節(jié)點承載彎矩，宜采用鑄鋼節(jié)點，鑄鋼節(jié)點的計算和受力分析異常復(fù)雜。

3 節(jié)點設(shè)計分析思路

（a）一般而言，有眾多主桿件匯交，桿件截面大、內(nèi)力大，桿件間角度無規(guī)律、無明顯的主次之分，建筑有一定的外觀要求時，要求采用鑄鋼節(jié)點。

（b）經(jīng)過模型參數(shù)選擇分析，共有60 個節(jié)點位置處的主桿件相交節(jié)點，作鑄鋼節(jié)點與否則需要根據(jù)SAP2000模型中桿件受力大小情況，并結(jié)合三維XSTEEL實體模型逐一檢查核對（圖3）。

圖1 博物館整體效果圖

圖2 原結(jié)構(gòu)設(shè)計主要節(jié)點形式

圖3 上部鋼結(jié)構(gòu)三維模型

（c）Φ1 200 mm×40 mm鑄鋼空心球重1.33 t，內(nèi)部隔板重0.3 t，主管相對位置處的短支腿Φ480 mm×25 mm，重280 kg/m，預(yù)估每個節(jié)點重3～4 t，因此節(jié)點的吊裝定位將是現(xiàn)場安裝的一大難點。

（d）成品支座主要功能為釋放溫度、減小混凝土收縮引起的不利位移、增強節(jié)點轉(zhuǎn)動能力以實現(xiàn)鉸接、減小地震作用對下部的影響，支座設(shè)計時需要根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的意圖及內(nèi)力，并結(jié)合下部柱截面大小才能確定支座形式、尺寸。

（e）支管與支管、支管與主管一般采用相貫節(jié)點，以遵循相貫桿件組拼規(guī)范及設(shè)計要求[1]。

4 空心球節(jié)點設(shè)計有限元分析

本項目鋼結(jié)構(gòu)為折面空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，同一個節(jié)點處有多個折面匯交，導(dǎo)致節(jié)點處處理十分復(fù)雜（圖4），為保證建筑外觀及受力要求，考慮采用鑄鋼節(jié)點。本文取特別復(fù)雜的9 個折面同時與柱相交處的節(jié)點進行有限元計算分析（圖5）。

圖4 復(fù)雜相貫節(jié)點三維模型

圖5 擬選取鑄鋼節(jié)點位置示意

此鑄鋼節(jié)點總共有12 根桿件匯交，除柱及斜撐外各桿件截面為Φ480 mm×12 mm，各桿件方向不一。為保證節(jié)點安全適用、經(jīng)濟合理，節(jié)點選用鑄鋼空心球節(jié)點形式，下文采用有限元分析對此節(jié)點進行承載能力分析。

4.1 節(jié)點有限元分析

采用有限元軟件ANSYS 14.0進行計算分析[2]。分析模型及材料特性的選取均參考《鑄鋼節(jié)點應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》CECS 235—2008的內(nèi)容。

4.2 材料特性

鑄鋼件材質(zhì)為GS-20Mn5QT，熱處理狀態(tài)為調(diào)質(zhì)。材料彈性模量E=206 000 MPa，泊松比μ=0.3，屈服強度取300 MPa，設(shè)計強度取235 MPa。其材性指標見表1。

表1 鑄鋼力學(xué)性能表

4.3 有限元模型

4.3.1 有限單元模型

空心球鑄鋼節(jié)點的有限元分析采用實體單元，單元選用SOLID186單元。初步設(shè)計階段與Φ480 mm×12 mm、Φ450 mm×14 mm鋼管相應(yīng)的鑄鋼段壁厚分別取20 mm、25 mm進行分析，空心球取Φ1 200 mm×40 mm，內(nèi)部設(shè)置加勁板。鑄鋼件節(jié)點區(qū)域有限元計算模型如圖6、圖7所示，采用自由網(wǎng)格劃分單元。

圖6 鑄鋼節(jié)點有限元網(wǎng)格劃分模型

圖7 鑄鋼節(jié)點有限元網(wǎng)格 劃分模型（內(nèi)部加勁）

4.3.2 荷載及約束

根據(jù)有限元軟件SAP2000計算結(jié)果，提取節(jié)點區(qū)各桿件最大軸力及彎矩，節(jié)點區(qū)桿件單元編號如圖8及單元內(nèi)力列表如表2所示。

圖8 節(jié)點區(qū)桿件編號

表2 節(jié)點區(qū)桿件單元編號及單元內(nèi)力列表

對節(jié)點區(qū)各桿件施加面壓力荷載及節(jié)點集中荷載，將下部鋼柱底部處作為鑄鋼節(jié)點支撐，施加節(jié)點約束[3]。荷載及邊界條件如圖9所示。

圖9 節(jié)點荷載

4.4 鑄鋼節(jié)點計算結(jié)果

鑄鋼節(jié)點Von-Mises應(yīng)力分布及整體變形圖依次如圖10～圖15所示。

圖10 鑄鋼節(jié)點整體應(yīng)力分布

圖11 鑄鋼節(jié)點內(nèi)部加勁應(yīng)力分布

圖12 鑄鋼節(jié)點變形一

圖13 鑄鋼節(jié)點變形二

圖14 鑄鋼節(jié)點變形三

圖15 鑄鋼節(jié)點變形四

由節(jié)點Von-Mises應(yīng)力分布如圖可知，最大Von-Mises應(yīng)力位于柱底約束位置處，這是由于各鋼管桿件的內(nèi)力均取最大值導(dǎo)致節(jié)點內(nèi)力不平衡而在柱底產(chǎn)生了附加彎矩造成的，但其最大值僅235 MPa，仍小于鑄鋼強度設(shè)計值。

各支管最大應(yīng)力為168.5 MPa，斜撐最大應(yīng)力76.6 MPa，鑄鋼空心球最大應(yīng)力為120.6 MPa，球內(nèi)加勁板最大應(yīng)力為58.8 MPa，所有應(yīng)力均小于強度設(shè)計值?？梢姡竟?jié)點強度滿足規(guī)范要求，節(jié)點安全可靠。

根據(jù)以上鑄鋼件節(jié)點有限元分析，可指導(dǎo)其余鑄鋼件深化設(shè)計，從而完善鋼結(jié)構(gòu)深化圖紙。

5 結(jié)語

復(fù)雜空間異型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)越來越多地運用于現(xiàn)代建筑中，鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點深化設(shè)計的合理性、可靠性、經(jīng)濟性是其指導(dǎo)思想。針對復(fù)雜鑄鋼件節(jié)點，需進行結(jié)構(gòu)整體分析、模型搭建、桿件應(yīng)力計算，從而實現(xiàn)節(jié)點構(gòu)造的合理性，滿足原結(jié)構(gòu)設(shè)計和實際施工的要求。本文全過程剖析了多維相貫節(jié)點的有限元設(shè)計分析過程，為成功實現(xiàn)詳圖轉(zhuǎn)化提供了模型及數(shù)據(jù)依據(jù)。