钢结构节点分析 同济大学

某场馆中复杂钢结构节点有限元分析发表时间：2018-07-23T18:47:01.867Z 来源：《基层建设》2018年第18期作者：陈毅麟[导读] 摘要：某局部布置带粘滞阻尼墙的钢框架-中心支撑体系的场馆，在梁柱与支撑交叉的位置存在复杂的钢结构连接节点，需要对其进行有限元分析，本文即对场馆中关键位置的复杂钢结构节点进行多工况有限元分析，该节点在荷载增加至标准组合值时，仅在某些局部存在应力集中现象，在加载结束时梁翼缘大面积进入塑性，与之相连的柱翼缘和衬板也进入了塑性。

同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司 200433摘要：某局部布置带粘滞阻尼墙的钢框架-中心支撑体系的场馆，在梁柱与支撑交叉的位置存在复杂的钢结构连接节点，需要对其进行有限元分析，本文即对场馆中关键位置的复杂钢结构节点进行多工况有限元分析，该节点在荷载增加至标准组合值时，仅在某些局部存在应力集中现象，在加载结束时梁翼缘大面积进入塑性，与之相连的柱翼缘和衬板也进入了塑性。

衬板有效地参与了受力，说明整体分析模型的有限元模拟得出的结果可靠。

1引言某场馆由两个单体组成，两个单体通过地下室连为一体，建筑面积约2万平方米，两个单体均属于抗震超限建筑，结构体系为局部布置带粘滞阻尼墙的钢框架-中心支撑体系，地下2层，地上4层。

本工程由大量的斜柱及穿层柱钢支撑组成，在斜柱与钢支撑、钢梁交接的位置形成复杂的非正交多向钢结构节点，是设计、加工、施工的的难点和关键点。

若采用梁柱节点、支撑与柱连接节点分别计算进行截面设计，而不是采用整体分析模型进行设计，往往不能真实的反映受力状态，因此有必要对复杂节点进行整体三维分析；针对形式复杂的节点研究，目前主要有试验研究及有限元分析，该项目的节点形式在以往工程中出现较多，也进行过大量的试验研究及有限元分析，关于该类型节点的整体有限元分析方法及假定成熟，为此针对该项目中出现的典型节点形式进行整体有限元分析可得到可靠的结果，同时本项目复杂节点处为斜柱，具有一定的工程代表性，通过本分析研究可为其他类似工程的运用提供参考。

单层单跨门式刚架设计计算一、设计资料（1）设计参数单层房屋为单跨门式刚架，刚架跨度30m ，长度90m ，柱距6m ，檐口标高8m ，屋面坡度1：10。

屋面材料采用压型钢板，墙面材料采用彩钢板，天沟为彩板天沟。

基础混凝土标号为C30，214.3/c f N mm =，钢材材质为Q345，22y 310k /,180/c f N mm f N mm ==。

（2）设计荷载屋面恒荷载为0.52/kN m ，活荷载为0.52/kN m ；雪荷载为 0.22/kN m ，基本风压为0.552/kN m ，地面粗糙度为B 类，风荷载体型系数如图1所示。

图1 计算模型机风荷载体型系数二、荷载组合1、 1.20 恒载 + 1.40 活载2、 1.00 恒载 + 1.40 风载3、1.00 恒载+ 1.40 x 0.90 活载+ 1.40 x 0.90 风载4、1.35 恒载三、内力计算1、计算模型（如图2）图2 节点及单元编号图2、荷载工况荷载工况如图3恒载活载左风右风图3 荷载工况图3、各工况内力恒载、活载、作风和右风作用下的钢架内力如图4—图7。

轴力图（KN）剪力图（KN）弯距图(kN.m)图4 恒载作用下钢架内力图轴力图(kN)剪力图(kN)弯距图(kN.m)图5 活载作用下钢架内力图轴力N图(kN)剪力图(kN)弯距图(kN.m)图6 左风作用下钢架内力图轴力图(kN)剪力图(kN)弯距图(kN.m)图7 右风作用下钢架内力图4、组合内力选取荷载组合1（1.20 恒载+ 1.40 活载）对构件内力值进行验算。

该组合下的构件内力值见表1。

表1 工况1下组合内力表5、构件尺寸和截面特性表2 构件尺寸和截面特性表中：面积和惯性矩的上下行分别指小头和大头的值四、构件截面验算1、宽厚比验算 翼缘板自由外伸宽厚比()2008/29.612.410-=<=，满足规程限值要求。

腹板高厚比80021097.52068-⨯=<=（），满足规程限值要求。

第32卷第7期建筑结构2002年7月钢管结构相贯节点的研究现状陈以一陈扬骥(同济大学钢结构研究室上海200092)[提要]简述钢管结构和相贯节点的类型,国内外对其承载性能试验、强度计算研究的进展,以及同济大学近年来的试验和分析工作,并提出了作者对相贯节点进一步研究课题的看法。

[关键词]钢管结构相贯节点研究评述T he authors introduce the steel tubular structure,the classification of tubular joints,t he de velopment of re searching tubular joints in our country and abroad,t he experiment and analysis resea rch in T ongji University recently.Some view points about further rese arch on tubula r joints are presented.K eyword s:steel tubular structure;tubular joints;rese arch appraisal一、概述近20年来,钢管结构在我国得到迅猛发展,在现代工业厂房、仓库、体育馆、展览馆、会场、航站楼、车站及办公楼、商住楼、宾馆等建筑中得到广泛应用。

钢管结构已不是传统意义上的钢管结构了,钢管作为建筑物的支柱,可与工字形截面或其他开口截面的钢梁构成框架结构;在以开口截面杆件为主的结构中,也可见作为其子结构的钢管桁架、网架等;钢管内填入混凝土后,可形成一种新颖的结构形式)))钢管混凝土结构。

钢管结构的优点是圆管和方管的对称截面形式使得截面惯性矩对各轴相同,有利于单一杆件的稳定性设计;截面的闭合提高了抗扭刚度;对板件局部稳定性而言,闭合截面也优于有悬挑板件的开口截面;这些无疑都是结构工程师所欢迎的。

试卷一一、填空题（每空2分，共计20分）1、门式刚架轻型房屋屋面坡度宜取（1/20~1/8 ），在雨水较多的地区取其中的较大值。

2、在设置柱间支撑的开间，应同时设置（屋盖横向支撑），以构成几何不变体系。

3、当端部支撑设在端部第二个开间时，在第一个开间的相应位置应设置（刚性）系杆。

4、冷弯薄壁构件设计时，为了节省钢材，允许板件（受压屈曲），并利用其（屈服后强度）强度进行设计。

5、当实腹式刚架斜梁的下翼缘受压时，必须在受压翼缘两侧布置（隅撑）6、螺栓排列应符合构造要求，通常螺栓端距不应小于（2 ）倍螺栓孔径，两排螺栓之间的最小距离为（ 3 ）倍螺栓直径。

7、垂直于屋面坡度放置的檩条，按（双向受弯）构件设计计算。

8、屋架节点板上，腹杆与弦杆以及腹杆与腹杆之间的间隙应不小于（20mm ）。

二、选择题（每题2分，共计20分）1、梯形钢屋架受压杆件．其合理截面形式，应使所选截面尽量满足（A ）的要求。

(A) 等稳定(B) 等刚度(C) 等强度(D) 计算长度相等2、普通钢屋架的受压杆件中，两个侧向固定点之间（ A ）。

(A) 垫板数不宜少于两个(B) 垫板数不宜少于一个(C) 垫板数不宜多于两个(D) 可不设垫板3、梯形钢屋架节点板的厚度，是根据（D ）来选定的。

(A) 支座竖杆中的内力(B) 下弦杆中的最大内力(C) 上弦杆中的最大内力(D) 腹杆中的最大内力4、槽钢檩条的每一端一般用下列哪一项连于预先焊在屋架上弦的短角钢（檩托）上（ B ）。

(A) 一个普通螺栓(B) 两个普通螺栓(C) 安装焊缝(D) 一个高强螺栓5、如轻型钢屋架上弦杆的节间距为L，其平面外计算长度应取(D )。

(A) L (B) 0.8L (C) 0.9L (D) 侧向支撑点间距6、屋架下弦纵向水平支撑一般布置在屋架的（ C ）。

(A) 端竖杆处(B) 下弦中间(C) 下弦端节间(D) 斜腹杆处7、屋盖中设置的刚性系杆（ A ）。

(A) 可以受压(B) 只能受拉(C) 可以受弯(D) 可以受压和受弯8、某房屋屋架间距为6m，屋架跨度为24m，柱顶高度24m。

8.4 有一工字形钢梁，采用I50a （Q235钢），承受荷载如图8-83所示。

F=125kN ，因长度不够而用对接坡口焊缝连接。

焊条采用E43型，手工焊，焊缝质量属Ⅱ级，对接焊缝抗拉强度设计值2205/w t f N mm =，抗剪强度设计值2120/w v f N mm =。

验算此焊缝受力时是否安全。

图8-83 习题8.4解：依题意知焊缝截面特性：A=119.25cm 2，Wx ＝1858.9cm 3,Ix=46472cm 4,Sx=1084.1cm 3,截面高度h=50cm ，截面宽度b=158mm ，翼缘厚t=20mm ，腹板厚tw=12.0mm 。

假定忽略腹板与翼缘的圆角，计算得到翼缘与腹板交点处的面积矩S 1=20×158×（250－10）=7.584×105mm 3。

对接焊缝受力：125V F kN ==；2250M F kN m =⨯=⋅ 焊缝应力验算：最大正应力：622325010134.5/205/1858.910w t x M N mm f N mm W σ⨯===<=⨯ 最大剪应力：33224125101084.11024.3/120/464721012w x v x w VS N mm f N mm I t τ⨯⨯⨯===<=⨯⨯ 折算应力：22127.2/205/w zs t N mm f N mm σ=<= 故焊缝满足要求。

8.5 图8-84所示的牛腿用角焊缝与柱连接。

钢材为Q235钢，焊条用E43型，手工焊，角焊缝强度设计值2f 160/w f N mm =。

T=350kN ，验算焊缝的受力。

图8-84 习题8.5 图8-84-1 焊缝截面计算简图解：（注：焊缝上下翼缘长度114mm 有些问题，应取2130210110l t mm -=-⨯=，黄钜枝06年6月19日）此注错误，应取消。

罗烈08年10月28日如图8-84-1，截面特性计算如下：2(11425242882)0.75667.2f A h mm =⨯+⨯+⨯⨯= 228820.73225.6w f A h mm =⨯⨯=32741288288[2882114(16)252()4]0.77.913101222f f I h mm =⨯⨯+⨯+⨯+⨯⨯⨯=⨯焊缝受力：247.5N kN =；247.5V kN =； 49.5M V e kN m =⋅=⋅ 应力验算：危险点为a 、b 两点，下面分别验算： 对a 点： 32247.51043.67/5667.2N aN N mm A σ⨯===62749.510160100.09/7.91310M a af My N mm I σ⨯⨯===⨯ 2243.67100.09143.76/195.2/N Mw a a f f N mm f N mm σσβ+=+=<=对b 点：32247.51076.73/3225.6V bw V N mm A τ⨯=== 243.67/N Nb a N mm σσ==62749.51014490.16/7.91310M b bf My N mm I σ⨯⨯===⨯22133.87/160/w f N mm f N mm =<=故焊缝强度满足要求。

有一工字形钢梁，采用I50a （Q235钢），承受荷载如图8-83所示。

F=125kN ，因长度不够而用对接坡口焊缝连接。

焊条采用E43型，手工焊，焊缝质量属Ⅱ级，对接焊缝抗拉强度设计值2205/w t f N mm =，抗剪强度设计值2120/w v f N mm =。

验算此焊缝受力时是否安全。

图8-83 习题解：依题意知焊缝截面特性：A=119.25cm 2，Wx ＝1858.9cm 3,Ix=46472cm 4,Sx=1084.1cm 3,截面高度h=50cm ，截面宽度b=158mm ，翼缘厚t=20mm ，腹板厚tw=12.0mm 。

假定忽略腹板与翼缘的圆角，计算得到翼缘与腹板交点处的面积矩S 1=20×158×（250－10）=×105mm 3。

对接焊缝受力：125V F kN ==；2250M F kN m =⨯=⋅ 焊缝应力验算：最大正应力：622325010134.5/205/1858.910w t x M N mm f N mm W σ⨯===<=⨯ 最大剪应力：33224125101084.11024.3/120/464721012w x v x w VS N mm f N mm I t τ⨯⨯⨯===<=⨯⨯ 折算应力：22127.2/205/w zs t N mm f N mm σ=<= 故焊缝满足要求。

图8-84所示的牛腿用角焊缝与柱连接。

钢材为Q235钢，焊条用E43型，手工焊，角焊缝强度设计值2f 160/w f N mm =。

T=350kN ，验算焊缝的受力。

图8-84 习题 图8-84-1 焊缝截面计算简图解：（注：焊缝上下翼缘长度114mm 有些问题，应取2130210110l t mm -=-⨯=，黄钜枝06年6月19日）此注错误，应取消。

罗烈08年10月28日如图8-84-1，截面特性计算如下：2(11425242882)0.75667.2f A h mm =⨯+⨯+⨯⨯= 228820.73225.6w f A h mm =⨯⨯=32741288288[2882114(16)252()4]0.77.913101222f f I h mm =⨯⨯+⨯+⨯+⨯⨯⨯=⨯焊缝受力：247.52N kN ==；247.52V kN ==； 49.5M V e kN m =⋅=⋅ 应力验算：危险点为a 、b 两点，下面分别验算： 对a 点： 32247.51043.67/5667.2N aN N mm A σ⨯===62749.510160100.09/7.91310M a af My N mm I σ⨯⨯===⨯ 2243.67100.09143.76/195.2/N Mw a a f f N mm f N mm σσβ+=+=<=对b 点：32247.51076.73/3225.6V bw V N mm A τ⨯=== 243.67/N Nb a N mm σσ==62749.51014490.16/7.91310M b bf My N mm I σ⨯⨯===⨯22133.87/160/w f N mm f N mm =<=故焊缝强度满足要求。