某大劇院典型鋼結構節點的有限元分析與設計

陳映瑞

（廣州市住宅建筑設計院有限公司，廣東廣州 510000）

1 工程概況

某文化藝術中心工程包括大劇院、音樂廳、電影院三個區地上單體建筑，含一層地下室，屋頂處以若干個大型曲面屋蓋將三個單體連接，主體采用框架剪力墻混凝土結構，結合建筑效果要求，項目外幕墻支承結構、屋蓋結構采用單層隨形鋼網格結構體系，鋼結構屋面高度為30m～36m。幕墻鋼網格結構采用與幕墻隨形布置，主要由立柱和與之垂直水平布置的封閉環梁組成，相應的外幕墻+曲面屋蓋鋼結構三維模型見圖1[1]。幕墻鋼網格結構呈環向封閉、形似橢圓體柱面，同時幕墻柱高度方向設置三道水平交叉支撐與主體結構連接，提高幕墻鋼網格的面外剛度。由于外圍幕墻柱頂部分別與環向梁及徑向鋼梁連接，節點處涉及梁連接，梁柱連接的混合作用，受力復雜，為了考察結構桿件連接的可靠性，采用ABAQUS軟件選取大劇院的典型的節點I743進行有限元分析，圖2為相應的節點有限元模型。

圖1 外幕墻+曲面屋蓋鋼結構模型

2 節點構成及荷載作用

節點及連接的各桿件均采用Q345B鋼材，相應的屋蓋外圈環管截面為φ900×20；節點處屋蓋徑向鋼梁截面為H900×350×14×30；幕墻鋼網格框柱采用截面為口 400×200×14×20+T250×150×10×20，為箱型及T型截面組成的焊接組合截面。節點中連接板及內部環形加勁板厚均取為20mm，各構件間的連接均采用焊接連接，相應的構件連接關系圖見圖2。

圖2 典型節點連接的關系及節點編號

對于該幕墻頂部連接節點I743，根據SAP2000整體計算模型的計算，對比各工況下與節點相連的徑向懸挑梁桿件應力比可知，在“a028_1.35D+0.98L+0.84W+140+0.84TD”這種荷載組合作用下，懸挑梁（對應節點865側）應力比達最大，節點受力最不利，相應的各個桿端的荷載如表1所示。因此，在本文節點分析中，各個桿件均以這種最不利工況進行分析。

表1 節點I-743各個桿端荷載施加

3 節點有限元分析

3.1 材料與本構模型、單元類型

材料彈性模量取E=2.06×105N/mm2，泊松比為 μ=0.3，Q345B的屈服強度取345MPa。鋼材本構模型采用彈塑性強化模型。由于該節點處于復雜的受力狀態，因此選用VonMises應力[2]來判斷該節點是否進入屈服狀態。

考慮到本工程的節點相對復雜，且由多根不同截面桿件在空間相交構成，為了獲得較好的單元網格劃分，本分析中采用ABAQUS提供的C3D8R實體單元[2]進行數值模擬分析。本節點采用cad三維建模導入的方式建立，有限元網格模型圖見圖2。

3.2 分析假定及計算結果

在節點有限元分析中，選取與節點相連的組合鋼柱底端面進行約束，即對應分析模型中與柱底面耦合的點I-742設置為完全固定，其余桿件端面根據表1的節點荷載數據施加荷載（以整體坐標的形式施加）。

圖3～圖6分別給出了節點I-743的整體與各典型部件的Mises應力分布狀況。由圖可知，節點I-743在懸挑桿件865-I-743與桿件872-875連接的工字梁翼緣下方腹板處的應力有小部位出現應力集中，約為317MPa，此外在箱型柱與梁下翼緣斜交連接處出現小部位的應力集中，應力約為305MPa，其余節點連接大部分區域的應力在290MPa以下，未達到屈服強度，滿足要求。

圖3 節點構件整體Mises應力

圖4 節點中徑向梁的Mises應力

圖5 圓管內隔板及柱頂連接件的Mises應力

圖6 環向圓管、下方幕墻柱的Mises應力

4 結論

（1）由上述分析結果可知，在最不利荷載作用下，節點各部位應力均未達到屈服強度，尚在彈性工作狀態，可以判斷本節點設計安全可靠，能較好滿足各向構件的受力要求。

（2）節點處徑向梁懸挑段對節點連接處作用力大，分析顯示出現了小部位的應力集中，雖然最大應力尚小于345MPa，考慮到節點連接的重要性，采用進一步加厚節點區段環管壁厚以及在對應徑向梁處增設內部加勁板的措施對節點進行加強設計。

（3）在工程設計中，結構桿件及其節點越來越多樣，且趨于復雜，在節點試驗條件又不具備時，借助通用有限元軟件進行節點分析能直觀了解節點的傳力狀態及承載能力，并能很好佐證節點設計的合理性，提供節點設計的依據。