节点刚度对轻型门式刚架结构设计的影响研究

薛梅松 （铜陵有色设计研究院，安徽 铜陵 244000）

以往，在分析与设计传统钢结构过程中，均是假设梁、柱连接是理想状态下的刚性连接或铰接连接，但是大量试验研究发现，工程实践中采用的连接形式均是介于理想刚接和理想铰接之间。在我国《技术规程》[1]中建议把端板连接设为节点连接的主要形式。轻型钢结构是一种围护结构，自体重量轻盈、承重结构横截面积小、智能化快速安装，且应用新型结构钢材的新结构体系，门式钢架是最具代表性的结构体系。

1 有限元模型

应用有限元软件ANSYS，针对刚接刚架与半刚接刚架建设三维整体有限元模型进行分析，有限元计算模型见图1。半刚接、刚接刚架梁柱节点连接分别应用外伸端板、全焊接。在半刚接刚架模型中，应用塑性四边形板单元，即ANSYS内的SHELL43去拟化梁柱的腹板、翼缘及端板与加劲肋，螺栓头与螺母利用八节点的各向同性的块体元SOLID45去拟化，以接触单元CONTACT52为支撑去拟化柱翼缘与端板间的接触区的非线性状况。刚接刚架焊接节点应用焊接处相对应点重合的方法作出拟化行为。在测算过程中综合分析了用料的非线性、几何非线性，并洞察了柱外翼缘与端板两者相触及对状态非线性形成的影响。

门式刚架针对经由梁柱腹板中心线平面xoy与跨中和梁截面平面yoz成角为90°的平面相互对称，并且施加的荷载在两个平面上也呈现出对称性。模型建设初期考虑到计算机系统容量与运行速率，遵照对称性原则，截取截面面积50.0%的半跨结构进行计算，在确保计算结果准确度的基础上尽量减少单元数量，以进一步保证测算工作的运行效率[2]。

图1 门式刚架计算模型

选取工程中具有代表性的设计，共建设了12～18m 4种跨度不同的钢架模型，刚架柱脚都采用铰接，梁柱与屋脊节点都采用端板垂直连接，节点构造见图2。设柱距为6m，屋面坡度取值均为1∶15，设刚架仅承受屋面均布荷载作用q=q恒+q活，取q恒=2.23 kN/m，q活=2.52 kN/m，经测算 q=4.75 kN/m，分别计算等同荷载状况下同一规格尺寸的刚接、半刚接刚架。结果表明，当跨度为12m时，檐高、梁截面尺寸、柱截面尺寸依次为5.4m、600×150×8×6mm、600×150×8×6mm；跨度为15m时，以上三项指标分别为5.4m、600×200×8×6mm、600×200×8×6mm；跨度为18m时，分别为6.9m、800×200×10×6mm、800×200×10×6mm。

图2 外伸端板连接节点构造示意图

整体分析后发现，和刚性连接相比较，采用半刚接刚架梁端的形式，其弯矩和位移处于较低水平，节点半刚性对刚架内力与移位均形成较明显影响，能同步增加跨中弯矩及位移，但对结构稳定性不形成负面影响。

2 节点刚度对刚架变形的影响

2.1 测算方法

为进一步明确端板连接刚度对刚架测算结果形成的影响，尤其是对钢架形体变化，文章如下拟定采用有限元方法作出分析，具体是把端板连接节点简化成具备一定转动刚度的弹簧连接单元，在SAP 93软件内读入刚度矩阵功能的支撑下，把节点的单元刚度矩阵整合至刚架的整体矩阵内，实现对刚架的较精确测算，在此基础上解读了钢架在垂直与水平荷载作用下形体改变情况，计算模型见图3[3]。

图3 刚架计算模型

本次研究中选择了轻钢规程中列出的典型单跨门式刚架做出对比测算，梁柱截面是现实工程中选用的尺寸，刚架跨度（L）的取值范围为18～36 m，檐口高度（H）对应值为7.5 m。测算中取屋面坡度为30°，分别测算采用柱脚刚接和铰接时，刚架在垂直均布荷载作用下的跨中桡度（w）与柱顶水平力形成的柱顶水平位移（u）。

2.2 计算结果分析

因为本次研究中只对钢架的线弹性作出分析，理论上，具备一定节点转动刚度的刚架应和整体刚接刚架位移之间的比重应恒定，为提升对比过程的便捷性，拟定把测算结果表示为跨中挠度放大系数ηw=ws/wr与柱顶侧移放大系数ηu=us/ur，其中，ws、us分别对应的是具备一定转动刚度节点刚架的跨中挠度、柱顶水平位移，wr、ur分别是整体刚接刚架的跨中挠度、ηw柱顶水平位移；设定刚接节点的转动刚度为4.243×1010N·mm/rad，则经测算，当跨度为 12、15、18m 时，ηu柱脚刚接对应的位移为1.19、1.18、1.17，柱脚铰接依次为1.15、1.05、1.05；柱脚刚接对应的位移为1.09、1.07、1.05，柱脚铰接依次为 1.19、1.17、1.15[4]。

对以上数据进行分析，发现采用柱脚刚接时，节点转动刚度对垂直荷载作用下跨中挠度形成较大影响；采用柱脚铰接时，对水平荷载作用下的柱顶水平位移形成的影响较大。增加刚架跨度时，对节点转动刚度形成的影响有减弱的趋势。因为测算时全部刚架的梁柱截面与节点刚度都等同，跨度较大的刚架梁柱构件较纤细，对应的弯曲刚度偏低，故而节点的相对刚度较大，此时所测算的ηw、ηu处于较低水平。分析到节点刚度对设计效果形成的影响，现实刚架的变形比例依照刚接刚架测算增加5.0～15.0，节点刚度对变形形成的影响不能整体忽视。

3 基于节点变形影响的设计建议

①当平齐式端板连接刚度处于较低水平时，通常状况下不能符合刚性节点的要求，刚接节点在结构设计时没有体现出良好的适用性。而外伸式端板连接应在符合结果强度要求基础上，侧重点是维持节点具备足够的刚度，减少或规避结构出现较大的挠度和变形。多数情况下，端板竖放节点的设计内力较大，节点处弯矩与剪力指标也同步提升，与之相对应的变形量也较大。和端板竖放节点相比较，端板平放节点设计的内力较小，尤其是剪切力，轴向压力较大，这对节点受力形成较有利作用，提示有助于控制结构变形情况。

②提升端板厚度有益于增强节点刚度，但厚度增加量应适宜。一般情况下，端板厚度符合“轻刚规程”的厚度计算公式就可以[5]。

③加劲肋对节点刚度可能形成较明显的影响。针对端板竖放与平放的节点，建议在柱的节点区安置加劲肋。站在降低节点形变量、增强节点刚度的视域去分析，将加劲肋设置在柱节点区段具有很大现实意义，故而在刚架结构设计过程中将其设为一个必要的措施。

4 结语

现阶段，轻型钢结构在工业厂房、办公楼及高层建筑的非承重构件中均有应用。文章主要阐述节点刚度对轻型门式刚架结构设计效果形成的影响，希望与相关人员能分享技术经验，实现对刚架变形的有效控制，全面优化建筑工程施工效果。