某項目柱子節點設計合理性的對比分析

李建芳

(同濟大學土木工程學院，上海 200092)

1 節點尺寸及節點構造

對于一般工字梁與方鋼管柱剛接節點，通常做法是在方管柱內梁翼緣處對應設置兩道橫向加勁肋。而對于圓鋼管與方管柱剛接節點，由于受力及計算假定(剛接、鉸接)不同，加勁可有不同的設置，甚至可以不設置。本文所述節點為某項目99 m跨桁架上弦桿與柱連接節點，計算模型中假定為剛接，節點十分重要，節點設計時也相對謹慎，確保節點安全可靠。對于該柱頭節點，本文給出了五種構造形式，節點構造及桿件截面如圖1所示。節點1鋼管柱內只加一塊20 mm橫向加勁肋;節點2加2塊20 mm加勁肋;節點3柱內加20 mm十字板豎向加勁肋;節點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點在同一工況下的受力狀況，同時，對幾種節點的剛度進行對比分析，最終給出安全可靠，傳力合理，施工可行的節點構造形式。

圖1 5種節點構造

2 有限元模型

節點采用實體單元來模擬，單元采用C3D8R。通過AUTOCAD建立節點實體模型，然后導入到ABAQUAS，在網格劃分時，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點彎矩。節點所加荷載如表1所示。

圖2 鋼材本構關系曲線

表1 桿件荷載表 kN

3 靜力工況下結果比較分析

圖3給出了5種節點的計算結果。由圖中可以看出，節點2，節點4，節點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;而節點 1 和節點 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，節點 2，節點4，節點5傳力較為合理，而節點1，節點3傳力不合理。

圖3 節點等效應力云圖

通過對節點變形深入分析，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，節點1及節點3傳力不合理，在節點設計時應避免采用。

4 節點抗彎剛度比較分析

對于此剛接節點，排除了節點1，節點3的做法，對于剩下的3種節點構造形式，可進一步通過節點抗彎剛度來判斷最優節點。

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種節點荷載位移曲線如圖4所示。

圖4 節點荷載位移曲線圖

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

5 結語

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

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

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

［1］GB 50017-2003，鋼結構設計規范［S］.

［2］JGJ 61-2003，建筑鋼結構焊接技術規程［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點設計與有限元分析［J］.空間結構，2011，17(3)：55-60.

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