某项目柱子节点设计合理性的对比分析

李建芳

(同济大学土木工程学院，上海 200092)

1 节点尺寸及节点构造

对于一般工字梁与方钢管柱刚接节点，通常做法是在方管柱内梁翼缘处对应设置两道横向加劲肋。而对于圆钢管与方管柱刚接节点，由于受力及计算假定(刚接、铰接)不同，加劲可有不同的设置，甚至可以不设置。本文所述节点为某项目99 m跨桁架上弦杆与柱连接节点，计算模型中假定为刚接，节点十分重要，节点设计时也相对谨慎，确保节点安全可靠。对于该柱头节点，本文给出了五种构造形式，节点构造及杆件截面如图1所示。节点1钢管柱内只加一块20 mm横向加劲肋;节点2加2块20 mm加劲肋;节点3柱内加20 mm十字板竖向加劲肋;节点4加20 mm十字板竖向加劲肋以及1块20 mm横向加劲肋;节点5加2块20 mm加劲肋以及4块宽度为150 mm竖向加劲肋。在有限元分析过程中，不考虑柱头封头板的作用。通过有限元来比较分析节点在同一工况下的受力状况，同时，对几种节点的刚度进行对比分析，最终给出安全可靠，传力合理，施工可行的节点构造形式。

图1 5种节点构造

2 有限元模型

节点采用实体单元来模拟，单元采用C3D8R。通过AUTOCAD建立节点实体模型，然后导入到ABAQUAS，在网格划分时，考虑到弦杆有部分弯矩的作用，方管柱在厚度方向分层，减少单元划分对计算结果的影响。计算时考虑材料非线性，几何非线性。钢材为Q345B，采用双折线模型，硬化阶段切线模量取为弹性模量的1%，如图2所示。

方钢管柱底部采用固结约束，对四周弦杆施加荷载。荷载组合选自Midas整体模型计算结果。其中弯矩通过等效杆件端点剪力的方式施加，即通过在弦杆端部施加剪力来得到节点弯矩。节点所加荷载如表1所示。

图2 钢材本构关系曲线

表1 杆件荷载表 kN

3 静力工况下结果比较分析

图3给出了5种节点的计算结果。由图中可以看出，节点2，节点4，节点5等效应力最大值比较接近，分别为131.7 N/mm2，126.2 N/mm2，138.4 N/mm2;而节点 1 和节点 3 等效应力最大值大得多，分别为 307.4 N/mm2，267.5 N/mm2。由此可知，节点 2，节点4，节点5传力较为合理，而节点1，节点3传力不合理。

图3 节点等效应力云图

通过对节点变形深入分析，可以看出，对于杆件轴力，横隔板可以起到加劲作用，可以保证方管柱翼缘及腹板共同工作，而十字竖向加劲板，当两侧有不平衡轴力时，钢管壁在平面外受力，板极易屈曲。有弯矩作用时，双横隔板可以将弯矩转换成力偶，而单横隔板抵抗弯矩的能力较小。十字竖隔板对节点抵抗弯矩有较好的作用。

通过比较可以看出，杆件在受到轴力和弯矩共同作用下，节点1及节点3传力不合理，在节点设计时应避免采用。

4 节点抗弯刚度比较分析

对于此刚接节点，排除了节点1，节点3的做法，对于剩下的3种节点构造形式，可进一步通过节点抗弯刚度来判断最优节点。

对单根杆件P406X20端头施加竖向位移，通过柱端约束反力可得到施加荷载大小。5种节点荷载位移曲线如图4所示。

图4 节点荷载位移曲线图

图4中，在弹性阶段时，节点2，节点3，节点4，节点5抗弯刚度接近;节点进入塑性时，节点5杆件抗弯刚度最大，节点2次之，节点3和节点4抗弯刚度几乎相同，节点1抗弯刚度最小。由此可以得出结论，双横向隔板加劲节点抗弯承载力大于十字竖向加劲板节点抗弯承载力，双横向隔板加劲节点抗弯刚度也大于十字竖向加劲节点抗弯刚度。在制作条件许可的情况下，应优先选择双横隔板加劲节点。

5 结语

通过有限元分析可知，无论是从传力合理的角度，还是从节点抗弯刚度方面来讲，双横向隔板加劲节点都能较好的满足要求。最终，在焊接可行的情况下，我们选择了节点5的构造形式。

通过本文的分析可知，对于此类节点，在构造时要充分考虑节点受力要求，是刚接还是铰接;在设置加劲板时，轴力和弯矩也需要区别对待。主要得到以下几点结论:

1)十字竖向加劲和双横向隔板加劲对节点抗弯都有较好的效果，但十字竖向加劲板节点抗弯承载力小于双横向加劲板节点的抗弯承载力。2)横向隔板加劲对节点抵抗轴力作用有较好的效果，而十字竖向加劲对节点抵抗轴力作用效果不佳。

［1］GB 50017-2003，钢结构设计规范［S］.

［2］JGJ 61-2003，建筑钢结构焊接技术规程［S］.

［3］李国强，周观根，蔡建良，等.大连国际会议中心复杂空间节点设计与有限元分析［J］.空间结构，2011，17(3)：55-60.

［4］彭志桢，王智勤.基于ABAQUES的RC框架顶层端节点有限元分析［J］.重庆交通大学学报，2010，29(5)：677-680.