格构式巨型钢框架梁柱节点的受力性能

程敏，唐兴荣，毕文廷，张峰

(1．苏州科技大学土木工程学院，江苏 苏州 215011；2．苏州工业园区金鸡湖城市发展有限公司，江苏 苏州 205028)

1 工程概况

传统钢框架结构不能满足大跨度大空间的功能要求，需要采用新型的格构式巨型框架结构[1-2]，苏州中心J地块区域的中庭即采用格构式巨型钢框架结构体系[3]。

苏州中心中庭位于苏州地铁1号线上方，整个结构为独立结构体系，东西方向长度为69.6 m，南北方向长度为55.0 m，安装最高标高为38.5 m。为了满足中庭大跨度大空间的功能要求，采用新型的格构式巨型钢框架结构体系，整个中庭由12榀层数不同的格构式巨型钢框架结构组成。

格构式巨型钢框架结构如图1所示。其格构式梁由2榀钢桁架通过横向多根(斜)腹杆连接而成，钢桁架上下弦杆采用π型截面，以增大钢桁架截面的有效高度；格构式柱由2片钢桁架通过短边方向的钢腹板互相连接形成(图1c)，格构柱通过拉压球形支座(图1b)与基础相连。由于格构式巨型钢框架梁柱节点构造复杂，有必要对其受力性能进行深入研究。

图1 格构式巨型钢框架示意(单位：mm)

本文选择受力最不利的格构式巨型钢框架结构梁柱节点(图1a)为研究对象，考察4种不同节点构造形式，采用SAP2000有限元分析软件，按等比例增加使用荷载(1.35恒载+0.98活载)来研究梁柱节点的受力性能，重点对使用荷载作用下不同构造措施的格构式框架结构梁柱节点的应力特征进行分析，为格构式钢框架梁柱节点设计提供相应技术支撑。

2 格构式钢框架结构梁柱节点非线性有限元分析

2.1 计算模型选取

在使用荷载作用下，应用SAP2000有限元分析软件，对格构式钢框架结构进行内力分析，受力较大的首层梁柱节点区杆件弯矩图见图2。

图2 节点区域杆件弯矩图

根据梁柱节点区各杆件的弯矩分布规律，将与节点区相连梁柱杆件在反弯点处截开，并设置约束边界条件，格构柱的四肢底端采用铰支座，格构柱上端铰接，并设置水平支撑约束其水平方向位移[5]。将有限元整体分析得到的杆件轴力作为外荷载作用于杆件反弯点处，得到图3所示的梁柱节点计算简图。各杆件所用钢材均为Q390，钢材的弹性模量E=2×105MPa，其截面尺寸详见表1。

图3 梁柱节点计算简图(单位: mm)

杆件名称截 面 尺 寸π型/mm×mm×mm×mm×mmH型/mm×mm×mm×mm梁杆件BHπ300×600×70×70×230DIπ300×500×60×60×240BIH300×260×30×40节点杆件ABπ300×600×70×70×230CDπ200×400×30×40×270ACH300×400×40×60BDH300×400×50×70ADH300×400×50×60柱杆件AEH300×400×50×60BFH300×550×50×60CGH300×400×40×60DJH300×180×15×20AF、EFH300×340×30×30DG、GJH300×200×10×15

为分析不同节点构造措施对格构式钢框架节点受力性能的影响，以实际格构式钢框架梁柱节点为基础，建立4种不同节点构造措施的计算模型(图4)，即节点区设置斜腹杆(模型1)、节点区无斜腹杆(模型2)、节点区设置钢节点板(模型3)以及节点区设置半通长节点板(模型4)。

2.2 分析模型参数

模型1为实际格构式钢框架结构梁柱节点，

即节点区设置斜腹杆AD(截面尺寸为H300 mm×400 mm×50 mm×60 mm)；模型2为节点区无斜腹杆，在模型1的基础上取消节点区斜腹杆，其他条件同模型1；模型3为节点区设置钢板，按节点区抗剪承载力相等的原则，将模型1的斜腹杆等效为钢板(钢板厚度t=28 mm)，其他条件均同模型1；模型4在模型3的基础上，节点区钢板向上下各延伸一个节间，其余条件同模型3。

图4 梁柱节点构造示意图

2.3 有限元模型的建立

采用SAP2000有限元分析软件，建立格构式巨型钢框架梁柱节点的非线性有限元模型。

1)钢材本构关系

图5 钢材的应力-应变曲线

钢材本构关系采用三折线模型(图5)，屈服后弹性模型取Et=0.01E，泊松比取为0.3。钢材三折线模型为：

(1)

采用VonMises屈服准则

(2)

式中:σ1、σ2、σ3分别为第一、第二和第三主应力;σS为材料的屈服点。

2)单元类型及单元划分

采用薄壳单元来模拟节点区各杆件和节点板，工字型杆件和π字型杆件可以用3个薄壳单元组合模拟，薄壳单元之间为刚接，节点板单元划分为200 mm×200 mm，杆件壳单元划分为50 mm×50 mm。

3)定义边界条件及荷载

边界条件：格构柱的四肢底端约束X、Y、Z方向位移，格构柱上端约束X、Y方向位移，从而模拟节点结构在整体模型中的实际支承情况。

荷载：按“1.35恒载+0.98活载”组合计算格构式钢框架结构的内力，将反弯点处杆件的轴向力作为计算简图中的使用荷载，按等比例增加使用荷载加载，即0、0.1倍、0.2倍……

2.4 非线性有限元分析

根据上述SAP2000建立的有限元非线性模型，以使用荷载为变量，按比例增加使用荷载，对上述4种不同节点构造格构式梁柱节点进行非线性有限元模拟分析。

模型1：按比例逐渐增加使用荷载，在加载到1.9倍使用荷载之前，模型节点处于弹性阶段，荷载-位移曲线呈现线性变化。当增加到1.9倍使用荷载时，梁下弦杆(DI)在D点出现了塑性铰。在2.2倍使用荷载时，梁上弦杆(BH)在B点出现塑性铰，继续加载，格构柱杆件BF、DJ、AE和CG在节点连接处(B、D、A、C点)依次出现塑性铰，直至加载到2.6倍使用荷载后，模型节点承载能力减弱直至破坏，无法继续承载。

模型2：按比例逐渐增加使用荷载，在1.3倍使用荷载时，格构柱杆件AE在A点出现塑性铰。在1.4倍使用荷载时，格构柱杆件CG在C点出现塑性铰，继续增加荷载，格构柱杆件BF、DJ在节点连接处D、B点依次出现塑性铰。加载到1.8倍使用荷载后，节点结构发生破坏，无法继续承载。

模型3：按比例逐渐增加使用荷载，在加载到1.6倍使用荷载之前，模型节点处于弹性阶段，荷载-位移曲线呈线性变化。当加载到1.6倍使用荷载时，节点杆件CD首先进入塑性阶段，塑性铰最早出现在节点D处。在1.8倍使用荷载作用时，节点板ABCD的角点D进入塑性阶段。在1.9倍使用荷载作用时，节点杆件AC在A点出现塑性铰。在2.1倍使用荷载时，角点A也进入塑性阶段。随着使用荷载的增加，屈服区域也在节点板ABCD的对角线AD方向上延伸。继续加载到2.4倍使用荷载后，节点结构发生破坏。

模型4：按比例逐渐增加使用荷载，在加载到2.0倍使用荷载之前，模型节点处于弹性阶段，荷载-位移曲线呈线性变化。加载到2.0倍使用荷载时，梁弦杆DI首先进入塑性阶段，在D点出现塑性铰。加载到2.2倍使用荷载时，梁弦杆BH在B点出现塑性铰，直至加载到2.4倍使用荷载时，节点板ABCD角点D才进入屈服，并随着荷载的增加，屈服区域在对角线AD方向上延伸。相较于模型3，格构式钢框架梁柱节点的承载能力有明显提升。在加载到2.8倍使用荷载后，节点结构发生破坏。

由图6和表2可见，在加载到比例极限(σp)相应倍数之前，各模型荷载与相应点位移成线性关系，表明格构式钢框架梁柱节点处于弹性阶段。随着荷载的增大，节点开始进入弹塑性阶段，荷载-位移关系曲线呈非线性变化。强度极限(σb)相应倍数时，模型4的承载力最大，模型2相对较低，并且其在1.3倍使用荷载时就开始进入屈服阶段。模型4的承载力要高于模型3，这说明适当延伸节点区钢板，可以使格构柱在梁柱节点处塑性铰外移，提高格构式框架梁柱节点的承载力。

图6 各模型荷载与梁端位移关系曲线

模型编号σP相应加载倍数σb相应加载倍数使用荷载下位移/mm11．92．612．4121．31．822．5331．62．414．6042．02．811．39

3 使用荷载作用下格构式钢框架梁柱节点应力分析

为了进一步研究格构式钢框架梁柱节点的应力特征，对使用荷载作用下格构式钢框架梁柱节点应力进行进一步分析。

图7给出了各模型使用荷载作用下节点杆件的Mises应力云图，表3给出了各模型Mises应力最大值。

图7 各模型杆件的Mises应力云图(单位：MPa)

注：模型3、模型4节点板ABCD最大应力都出现在角点D。

1)模型2为节点区无斜腹杆，其余条件同模型1。模型2各杆件的最大Mises应力均要比模型1相应杆件的最大Mises应力大，且最大应力出现在节点区杆件AC上。这是因为模型1节点区斜腹杆AD起着将上部格构柱杆件(AE、AF)传来的竖向力斜向传到下部格构柱杆件(DG、DJ)的作用，大大降低了节点区杆件AC的Mises应力值，而模型2取消了节点区斜腹杆，使上部格构柱杆件(AE、AF)传来的竖向荷载直接传给节点区杆件AC，导致杆件AC应力大为增大，最大Mises应力达到296.80 MPa。

2)按抗剪承载力相等的原则,将模型1节点区斜腹杆等效为模型3节点区的钢板。模型3和模型1格构式梁杆件和格构柱杆件的最大Mises应力基本相同，而模型3节点区杆件(CD、AC和BD)的最大Mises应力增大，但仍然要比模型2相应杆件的最大Mises应力要小。另外，从节点板的Mises应力云图和主应力轨迹线(图8)可见，节点区钢板应力较大的部分主要集中在AD对角线上，最大Mises应力出现在角点D，可达207.8 MPa。

图8 模型3节点钢板 Mises应力云图和主应力迹线

3)模型4是在模型3的基础上，将节点区钢板上下延伸，形成半通长节点板。从节点区钢板的Mises应力云图和主应力迹线(图9)可见，节点区钢板的应力在对角线AD上，最大应力出现在角点D上，节点板的传力途径与模型3基本相同，但模型4节点板最大应力(156.7 MPa)比模型3(207.8 MPa)低。

4 结论

在格构式钢框架梁柱节点区设置斜腹杆、钢板或半通长钢板的构造形式，可以有效地提高节点的刚度和承载力，是比较有效的节点构造形式。当格构式钢框架跨度不大时，梁柱节点可采用不设斜腹杆的构造形式；当格构式钢框架结构跨度较大时，梁柱节点宜采用节点区设置斜腹杆或设置钢节点板的构造形式。由于节点区半通长钢板构造形式可使柱端塑性铰外移，对节点抗震性能有利，因此建议优先选用节点区半通长钢板的构造形式。

图9 模型4节点钢板 Mises应力云图和主应力迹线

[1] 李霆，李宏胜，尹优，等. 广东科学中心大跨度巨型钢框架结构设计[J].建筑结构，2010,40(8)：6-11.

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[3] 程敏.大跨度格构式钢框架结构受力性能的分析研究[D].苏州：苏州科技大学，2017.

[4]钟迅，左小青，李治. 某大跨度空间钢结构屋面的结构方案选型[J].钢结构，2016,31(9)：50-54.

[5]施正捷，樊健生. 全偏心钢结构梁-柱节点受力性能有限元分析[J].建筑结构学报，2015,37(1)：201-210.