某鋼桁架連橋節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及拓展分析
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周偉星1 孫文波1，2 王劍文1 周偉堅(jiān)1
（1．華南理工大學(xué)建筑沒(méi)汁研究院，廣州 510640;2．華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣州 510640）
摘 要：鋼桁架結(jié)構(gòu)是工程應(yīng)用非常廣泛的一種結(jié)構(gòu)體系。以實(shí)際工程的鋼桁架結(jié)構(gòu)為背景，該鋼桁架結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件采用箱形截面，對(duì)其關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析及優(yōu)化，并在此基礎(chǔ)上拓展到H型鋼構(gòu)件的“K+T”形節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，提出了“K+T”形節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題和優(yōu)化方案
關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)桁架；“K+T”形節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)有限元分析；嵌入法 DOI:10.13206/j. gjg201603018
1 工程背景及結(jié)構(gòu)體系概述
某辦公建筑塔樓之間設(shè)置連橋連通，該連橋采用的是鋼桁架結(jié)構(gòu)（圖1），鋼連橋跨度為36 m。鋼連橋采用了廣義工字桁架的結(jié)構(gòu)體系，其中廣義“腹板”由一榀鋼桁架組成，其桁架上弦和下弦截面為箱形斷面，其斷面尺寸為400 mm×300 mm×10 mm×10 mm;中部斜腹桿和直腹桿截面為箱形斷面，其斷面尺寸為300 mm×300 mm×10 mm×10 mm。廣義“上翼緣”和廣義—F翼緣”由面內(nèi)桁架組成；廣義“上翼緣”和廣義“下翼緣”的面外為滿足建筑通透的效果要求在中部未沒(méi)置任何立桿，僅在兩端設(shè)置立柱，截面為箱形300 mm×300 mm×10 mm x10 mm;其面內(nèi)設(shè)置斜撐截面為ɸ152×8。廣義工字桁架的結(jié)構(gòu)除斜撐（ɸ152×8）為兩端鉸接連接外，其余連接均為剛接連接。鋼連橋中的廣義“腹板”桁架的下弦一端，采用固定鉸支座，另一端的順橋向釋放平動(dòng)位移，即單向滑動(dòng)支座。鋼連橋的4個(gè)角點(diǎn)僅提供豎向支承。所有鋼材均采用Q345B。
廣義“腹板”即中間鋼桁架是該連橋的主要受力體系，固定鉸支座處（節(jié)點(diǎn)1）及靠近固定鉸支座處（節(jié)點(diǎn)2）的“K+T”形節(jié)點(diǎn)受力最大，是該連橋的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，為保證節(jié)點(diǎn)安全適用，采用有限元軟件對(duì)上述兩處節(jié)點(diǎn)進(jìn)行使用階段承載能力分析。節(jié)點(diǎn)的沒(méi)計(jì)方案如圖2所示。
2 節(jié)點(diǎn)嵌入式分析
本文采用嵌入法對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，即在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體有限元分析時(shí)，將節(jié)點(diǎn)殼單元模型嵌入整體梁?jiǎn)卧Ｐ椭校诹簡(jiǎn)卧c殼單元的連接部位設(shè)置剛性連接構(gòu)件以傳遞內(nèi)力。嵌入法使得節(jié)點(diǎn)有限元模型的邊界條件與實(shí)際情況完全一致，保證了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文分析軟件采用Strand 7，節(jié)點(diǎn)采用殼單元，其他桿件采用空間梁?jiǎn)卧�，在梁�(jiǎn)卧c殼單元的連接部位采用剛性連接單元連接并傳遞內(nèi)力。橋面施加1.5 k N／m2的附加恒載以及3.5 k N／m2的活載（考慮人員密集），橋頂施加1.5 k N／m2的附加恒載以及0.5 k N／m2（按不上人屋面設(shè)計(jì)）的活載，橋兩側(cè)考慮1.0 k N/m2的玻璃幕墻。由于篇幅關(guān)系，本文僅給出節(jié)點(diǎn)在豎向荷載組合“1. 35恒載+1.4×0.7活載”下的應(yīng)力云圖（圖3）。由計(jì)算結(jié)果可見：節(jié)點(diǎn)1在設(shè)計(jì)組合下的應(yīng)力未超過(guò)屈服強(qiáng)度，該節(jié)點(diǎn)是安全的；節(jié)點(diǎn)2在設(shè)計(jì)組合下大部分區(qū)域的應(yīng)力未超過(guò)屈服強(qiáng)度，但是在斜腹桿和下弦桿相交處（圖3b中圓圈位置）出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，所以有必要對(duì)節(jié)點(diǎn)2進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
根據(jù)上述分析結(jié)果，對(duì)節(jié)點(diǎn)2設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，桿件相交處采用倒圓角的處理方式，如圖4所示。由分析結(jié)果可見：通過(guò)采取倒圓角的處理方式，消除了原方案節(jié)點(diǎn)應(yīng)力高度集中的現(xiàn)象，節(jié)點(diǎn)所有區(qū)域的應(yīng)力沒(méi)有超過(guò)屈服強(qiáng)度，節(jié)點(diǎn)是安全的。但是從節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布可以看出：受拉斜腹桿在靠近節(jié)點(diǎn)區(qū)域處上翼緣受力明顯變小。分析第1次優(yōu)化后的節(jié)點(diǎn)方案，該斜腹桿上翼緣沿桿件受力方向不連續(xù)，上翼緣在拉力作用下軸向剛度相對(duì)變小，由兩側(cè)腹板承擔(dān)了較多的荷載，所以上翼緣與兩側(cè)腹板交界處出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。
對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)一步優(yōu)化，在斜腹桿上翼緣位置處增設(shè)內(nèi)部加勁肋，以提高上翼緣面外剛度，而且使得傳力路徑比較均勻和連續(xù)，節(jié)點(diǎn)優(yōu)化方案如圖5所示。由分析結(jié)果可見：內(nèi)部加勁肋有效改善了斜腹桿的受力分布，所以建議在施工許可的情況下，對(duì)類似工程的“K+T”形節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)采用第2次優(yōu)化后的節(jié)點(diǎn)方案。
3“K+T”形節(jié)點(diǎn)拓展設(shè)計(jì)及分析
本工程鋼桁架弦桿和腹桿采用的是箱形斷面，在實(shí)際工程中此類“K+T”形節(jié)點(diǎn)還有采用H形斷面的情況，本節(jié)將上述節(jié)點(diǎn)2中的桿件采用H型鋼替換（將400×300×10× 10的箱形斷面替換為H400×300× 10×10，將300 x300 x10 xl00的箱形斷面替換為H300× 300× 10×10），并進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和分析。本文參考現(xiàn)有的工程案例，共分析了9種不同的節(jié)點(diǎn)方案，如圖6所示。
其中方案1是根據(jù)計(jì)算模型直接設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)形式，但是建筑師為追求美觀往往要求采用方案2和方案3的節(jié)點(diǎn)形式。
本文首先對(duì)方案1-方案3進(jìn)行計(jì)算分析，各方案的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力如圖7所示。由分析結(jié)果可見：方案1節(jié)點(diǎn)所有區(qū)域的應(yīng)力均小于材料屈服強(qiáng)度，而且節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布連續(xù)僅在部分構(gòu)件相交處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，節(jié)點(diǎn)整體設(shè)計(jì)滿足要求。方案2和方案3節(jié)點(diǎn)在斜腹桿上翼緣處的腹板區(qū)域（圖中圓圈位置）應(yīng)力明顯較大且超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度。分析節(jié)點(diǎn)的傳力路徑可以推斷此處應(yīng)力較大的原因是斜腹桿的上翼緣在節(jié)點(diǎn)區(qū)域處不連續(xù)，所以本來(lái)應(yīng)由上翼緣承擔(dān)的部分荷載轉(zhuǎn)移到其附近的腹板區(qū)域。
根據(jù)上述推斷，對(duì)方案2和方案3進(jìn)行優(yōu)化，在對(duì)應(yīng)斜腹桿上翼緣位置處設(shè)置縱向加勁肋提供上翼緣面外剛度而且使得節(jié)點(diǎn)傳力路徑相對(duì)比較連續(xù)，節(jié)點(diǎn)優(yōu)化方案如圖6d-圖6f所示。由圖7對(duì)應(yīng)分析結(jié)果可見：縱向加勁肋并沒(méi)有很好地改善節(jié)點(diǎn)的受力情況，圖中圓圈所示的腹板區(qū)域應(yīng)力仍然較大。對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)一步優(yōu)化，直接采用斜腹桿上翼緣連續(xù)的做法如圖6g、圖6h所示。由分析結(jié)果可見：斜腹桿上翼緣連續(xù)化處理后，靠近斜腹桿上翼緣處的節(jié)點(diǎn)區(qū)域受力明顯得到改善，但是在斜腹桿的下翼緣處又出現(xiàn)了應(yīng)力較大的問(wèn)題（圖中箭頭所示區(qū)域），因此對(duì)斜腹桿的下翼緣采取同樣的優(yōu)化方法即將下翼緣連續(xù)化，如圖6i所示。由分析結(jié)果可見：在斜腹桿上下翼緣都連續(xù)化處理后，節(jié)點(diǎn)的受力情況得到了明顯的改善，但是經(jīng)過(guò)一再優(yōu)化的節(jié)點(diǎn)方案9已經(jīng)與方案2、方案3相差甚遠(yuǎn)，也不如節(jié)點(diǎn)方案1那么直接明了。
綜上分析，在上述H型鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度應(yīng)優(yōu)先采用方案1，即盡量使構(gòu)件連續(xù)以保證節(jié)點(diǎn)受力均勻和連續(xù)。如果要采用方案2和方案3則必須加厚節(jié)點(diǎn)區(qū)域的腹板以滿足節(jié)點(diǎn)承載力的要求。
6 結(jié) 論
1)采用嵌入法對(duì)某工程中節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析，能夠更準(zhǔn)確地模擬節(jié)點(diǎn)的邊界條件和受力情況，分析結(jié)果表明該工程節(jié)點(diǎn)滿足要求。
2)箱形截面構(gòu)件組成的“K+T”形節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中桿件相交處應(yīng)采用倒圓角的處理方式以避免出現(xiàn)應(yīng)力集中，并且應(yīng)使斜腹桿連續(xù)或采取設(shè)置加勁肋等方法保證腹桿的受力均勻和連續(xù)。
3)為了滿足建筑師追求美觀的要求常見H形截面構(gòu)件組成的“K+T”形節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中往往采用桿件相交處倒圓角的方法，但是這種處理方法導(dǎo)致斜腹桿上、下翼緣在節(jié)點(diǎn)區(qū)域不連續(xù)從而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)受力不均勻。建議從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度應(yīng)優(yōu)先考慮使構(gòu)件連續(xù)以保證節(jié)點(diǎn)受力均勻和連續(xù)，否則必須加厚節(jié)點(diǎn)區(qū)域的腹板以滿足節(jié)點(diǎn)承載力的要求。
