某大剧院典型钢结构节点的有限元分析与设计

陈映瑞

（广州市住宅建筑设计院有限公司，广东广州 510000）

1 工程概况

某文化艺术中心工程包括大剧院、音乐厅、电影院三个区地上单体建筑，含一层地下室，屋顶处以若干个大型曲面屋盖将三个单体连接，主体采用框架剪力墙混凝土结构，结合建筑效果要求，项目外幕墙支承结构、屋盖结构采用单层随形钢网格结构体系，钢结构屋面高度为30m～36m。幕墙钢网格结构采用与幕墙随形布置，主要由立柱和与之垂直水平布置的封闭环梁组成，相应的外幕墙+曲面屋盖钢结构三维模型见图1[1]。幕墙钢网格结构呈环向封闭、形似椭圆体柱面，同时幕墙柱高度方向设置三道水平交叉支撑与主体结构连接，提高幕墙钢网格的面外刚度。由于外围幕墙柱顶部分别与环向梁及径向钢梁连接，节点处涉及梁连接，梁柱连接的混合作用，受力复杂，为了考察结构杆件连接的可靠性，采用ABAQUS软件选取大剧院的典型的节点I743进行有限元分析，图2为相应的节点有限元模型。

图1 外幕墙+曲面屋盖钢结构模型

2 节点构成及荷载作用

节点及连接的各杆件均采用Q345B钢材，相应的屋盖外圈环管截面为φ900×20；节点处屋盖径向钢梁截面为H900×350×14×30；幕墙钢网格框柱采用截面为口 400×200×14×20+T250×150×10×20，为箱型及T型截面组成的焊接组合截面。节点中连接板及内部环形加劲板厚均取为20mm，各构件间的连接均采用焊接连接，相应的构件连接关系图见图2。

图2 典型节点连接的关系及节点编号

对于该幕墙顶部连接节点I743，根据SAP2000整体计算模型的计算，对比各工况下与节点相连的径向悬挑梁杆件应力比可知，在“a028_1.35D+0.98L+0.84W+140+0.84TD”这种荷载组合作用下，悬挑梁（对应节点865侧）应力比达最大，节点受力最不利，相应的各个杆端的荷载如表1所示。因此，在本文节点分析中，各个杆件均以这种最不利工况进行分析。

表1 节点I-743各个杆端荷载施加

3 节点有限元分析

3.1 材料与本构模型、单元类型

材料弹性模量取E=2.06×105N/mm2，泊松比为 μ=0.3，Q345B的屈服强度取345MPa。钢材本构模型采用弹塑性强化模型。由于该节点处于复杂的受力状态，因此选用VonMises应力[2]来判断该节点是否进入屈服状态。

考虑到本工程的节点相对复杂，且由多根不同截面杆件在空间相交构成，为了获得较好的单元网格划分，本分析中采用ABAQUS提供的C3D8R实体单元[2]进行数值模拟分析。本节点采用cad三维建模导入的方式建立，有限元网格模型图见图2。

3.2 分析假定及计算结果

在节点有限元分析中，选取与节点相连的组合钢柱底端面进行约束，即对应分析模型中与柱底面耦合的点I-742设置为完全固定，其余杆件端面根据表1的节点荷载数据施加荷载（以整体坐标的形式施加）。

图3～图6分别给出了节点I-743的整体与各典型部件的Mises应力分布状况。由图可知，节点I-743在悬挑杆件865-I-743与杆件872-875连接的工字梁翼缘下方腹板处的应力有小部位出现应力集中，约为317MPa，此外在箱型柱与梁下翼缘斜交连接处出现小部位的应力集中，应力约为305MPa，其余节点连接大部分区域的应力在290MPa以下，未达到屈服强度，满足要求。

图3 节点构件整体Mises应力

图4 节点中径向梁的Mises应力

图5 圆管内隔板及柱顶连接件的Mises应力

图6 环向圆管、下方幕墙柱的Mises应力

4 结论

（1）由上述分析结果可知，在最不利荷载作用下，节点各部位应力均未达到屈服强度，尚在弹性工作状态，可以判断本节点设计安全可靠，能较好满足各向构件的受力要求。

（2）节点处径向梁悬挑段对节点连接处作用力大，分析显示出现了小部位的应力集中，虽然最大应力尚小于345MPa，考虑到节点连接的重要性，采用进一步加厚节点区段环管壁厚以及在对应径向梁处增设内部加劲板的措施对节点进行加强设计。

（3）在工程设计中，结构杆件及其节点越来越多样，且趋于复杂，在节点试验条件又不具备时，借助通用有限元软件进行节点分析能直观了解节点的传力状态及承载能力，并能很好佐证节点设计的合理性，提供节点设计的依据。