某科创中心钢结构空间折面网格复杂节点设计与分析

2023-09-11乔帅斌江重阳张昊强

甘肃科技 2023年8期

张晨，乔帅斌，江重阳，张昊强，张旭

（甘肃省建筑设计研究院有限公司，甘肃兰州 730000）

1 工程概况

某科创中心位于甘肃省兰州市榆中县，由展示区和科创孵化楼组成。其中科创孵化楼地下1层，地上4层，房屋高度23.5 m，平面呈扁长不规则形状，其屋面板上方为折面状的山形建筑表皮。根据建筑形态特点及下部结构可提供的支承条件，支撑表皮的结构采用钢结构折面网格，网格紧贴建筑表皮。随建筑表皮而起伏的山形构架造型独特不规则，由三角形折面呈起伏状构成，平面长约125.6 m，宽12.0～24.0 m，最高点高度29.9 m。其主要由三向斜交网格、树状柱以及V型撑杆组成。其中，斜交网格杆件（背部斜交杆件、顶部斜交杆件）与封边杆件组成整个折面，落地杆件与地下室混凝土结构相连，背部网格通过V型撑杆与主体钢框架相接，顶部网格通过树状柱支撑在主体结构上。斜交网格单根杆件的长度在2.5～4.5 m，如图1所示。山形构架的脊线杆件及斜交网格杆件均采用矩形钢管，杆件汇交节点刚接，相互约束形成一定的刚度，杆件以受弯为主。在主体结构屋面适当位置设置树状柱作为网格结构支座，树状柱及其分支柱采用圆管截面，树状柱上端与网格杆件连接点及V型撑杆两端均采用销轴节点。落地杆件采用铰接支座。

图1 钢结构空间折面网格模型

2 节点设计准则

节点的安全性主要决定于其强度与刚度，应防止连接部位开裂引起节点失效，或节点变形过大造成结构内力重分配，在抗震设计时，还应满足“强节点、弱构件”的设计原则。钢结构的节点设计一般应遵循以下原则：（1）节点传力应简捷、明了；（2）节点受力的计算分析模型应与节点的实际受力情况相一致，节点构造应尽量与设计计算的假定相符合；（3）保证节点连接有足够的强度和刚度，避免由于节点强度或刚度不足而导致整体结构破坏；（4）节点连接应具有良好的延性，避免采用约束程度大和易产生层状撕裂的连接形式，以利于抗震；（5）尽量简化节点构造，以便于加工、安装时的就位和调整，并减少用钢量[1]。

节点的计算分析可以遵循以下准则：（1）最不利设计内力准则，即取最大组合工况下的内力来进行节点设计，保证节点承载力大于设计内力；（2）节点与杆件等强准则，即保证在任何情况下节点与杆件承载力相同[2]。

3 关键节点的设计与分析

山形构架钢结构空间折面网格主要的节点类型包括：（1）斜交网格相交节点；（2）树状柱分叉节点；（3）树状柱柱顶销轴连接节点；（4）树状柱柱脚节点；（5）V形撑杆连接节点，节点设计时遵循最不利设计内力和节点杆件等强准则，对斜交网格相交节点（三杆相交节点）和树状柱分叉节点采用MIDAS FEA NX有限元软件进行静力分析和非线性分析。

对关键节点进行非线性分析时，同时考虑了材料非线性和几何的非线性特性。并做出如下基本假定：（1）节点材料在变形条件下，当节点内某点的等效应力值达到某一定值时，此点就开始进入塑性状态，节点材料符合Mises屈服准则；（2）不考虑焊缝对节点的受力性能影响；（3）不考虑初始缺陷对节点受力性能的影响；（4）不考虑残余应力对节点受力性能的影响[3]。

3.1 斜交网格三杆相交节点

钢结构空间折面网格的顶部斜交网格节点为刚接，杆件大多数采用B300×200×8×8的钢管（材质为Q355B），为一根贯通钢管和两个支管相贯焊接，如图2所示。节点有限元模型使用实体单元，四面体网格，节点网格尺寸30 mm。材料弹性模量2.06×105N/mm2，强化模量2.06×103N/mm2，屈服强度355 Mpa，泊松比0.3。根据空间折面网格的整体计算可以得到杆件的控制工况，在1.3恒载+1.5活载+0.9温度荷载的工况下，杆件的应力比最大，因此，选择此工况对节点进行分析。

图2 斜交网格三杆相交节点平面示意图

从MIDAS GEN整体计算模型中截取节点模型，在节点模型的杆端设置刚域，并将其中一根杆件的端部作为固定支座，在其他杆件刚域的形心位置施加集中荷载，节点杆端控制工况的内力见表1。

表1 三杆汇交节点计算的控制内力设计值

（1）节点线性静力分析。将整体模型中杆件的最不利工况下的荷载施加于三杆相交节点，计算分析后，其应力结果如图3所示。在杆件交汇处应力最大，达到130 MPa，小于设计值310 MPa，节点有足够的安全储备。

图3 三杆相交节点有限元模型和等效应力

（2）节点非线性静力分析。钢材采用理想弹塑性本构模型，符合Von-Mises屈服准则。在荷载作用下，两杆相交的位置最先出现应力集中现象，当加载至3.5倍的设计荷载值时，三杆汇交节点区域进入塑性状态，随着荷载的增大，塑性区域逐渐扩大。图4所示为荷载加载系数与位移的关系曲线。图5为节点区的应力与应变的关系曲线。

图4 三杆相交节点荷载-位移系数曲线

图5 三杆相交节点应力-应变曲线

3.2 树状柱分叉节点

空间折面网格结构在主体结构屋面适当位置设置树状柱作为网格结构顶面支座，树状柱及其分支柱采用圆管截面，树状柱截面规格为Ф500x16（材质为Q355B），分支柱截面规格为Ф273x16（材质为Q355B），主杆和分支柱通过半径为500 mm的半球形节点连接，半球形节点内外加十字肋，肋板厚20 mm，杆件，半球，肋板通过焊接连接，如图6所示。树状柱分叉节点有限元模型使用实体单元，四面体网格，节点网格尺寸50mm。材料弹性模量、强化模量、屈服强度与泊松比同前文三杆相交模型的材性。根据结构的整体计算模型可以得到树状柱的控制工况，结果表明，在1.3恒载+1.5活载+0.9温度荷载的工况下，构件的应力比最大，因此，选择此工况对树状柱节点进行分析。

图6 树状柱分叉节点示意图

从MIDAS GEN整体计算模型中截取树状柱节点模型，对模型进行细化，增加半球形节点等，在节点模型的分支柱端设置刚域，并将其中的主杆的端部作为固定支座，在分支柱的刚域的形心位置施加集中荷载，树状柱节点的构件控制工况的内力见表2。

表2 树状柱节点计算的控制内力设计值

（1）节点线性静力分析。将整体计算模型中构件的最不利工况下的内力施加于树状柱分叉节点，节点经计算分析后，其有限元模型和应力结果如图7所示。在主杆顶部和分支柱根部应力最大，达到60 MPa，远远小于设计值310 MPa，节点有足够的安全储备。

图7 树状柱分叉节点有限元模型和等效应力

（2）节点非线性静力分析。钢材采用理想弹塑性本构模型，符合Von-Mises屈服准则。在荷载作用下，分支柱根部首先出现应力集中现象，随着荷载增大，主杆顶部也随即出现应力集中，当加载至6.5倍的设计荷载值时，树状柱分叉节点区域进入塑性状态，荷载不断增大后，分支柱和主杆的塑性区域也逐渐扩大。图8所示为荷载加载系数与位移的关系曲线。图9为节点区的应力与应变的关系曲线。