某环廊梭形柱节点设计

某环廊梭形柱节点设计

俞俊杰1，徐坚震1，何佳1，倪道炎2

（1杭州恒达钢构股份有限公司，杭州 311223;2芜湖恒驰钢构有限公司，芜湖241000）

摘要：某医院的环廊采用钢桁架结构，在其中一个节点处采用了梭形节点。由于该节点的验算较为复杂，需要进行有限元分析，以确定节点区域的薄弱部位，并为节点构造提供依据。为此，使用MIDAS FEA NX软件对该节点进行了线性静力分析，通过调整梭形柱的壁厚和采用一字板加固的方法，计算出相应的应力值，以进一步确定节点的合理加固方案。

关键词：钢桁架 梭形节点 有限元分析

1 前言

钢结构梭形节点是一种用于钢结构中的连接节点，它的形状类似于一个梭子，因此被称为梭形节点。随着建筑工程的不断发展和建筑结构的复杂化，梭形节点的设计和应用也在不断地改进和完善。钢结构梭形节点的研究涉及材料力学、结构力学、计算机模拟等多个领域，是一个综合性较强的研究课题。

2 工程概况

此医院位于上海市奉贤区，结构类型为钢桁架，抗震设防烈度7度（0.1g)，建筑抗震设防类别为丙类，因为建筑功能需要，某下弦杆与立柱采用梭形节点连,节点大样如图1所示。

图1  梭形节点示意图 

3 梭形柱节点分析与设计

3.1 梭形节点构件信息

梭形节点采用Q355钢材，弹性模量为206000MPa，泊松比0.3，屈服强度值345MPa。

取梭形钢柱节点长度为1650mm，分为上半部分和下半部分两个部分，上半部分长650mm，是一个渐变截面的圆钢管，顶部的截面φ400×25mm，底部的截面φ600×25mm；下半部分长1000mm，截面为φ600×25mm。在钢柱的最上端，即φ400×25mm的圆管上方，放置了一块圆钢板，其直径为500mm，厚度为25mm，圆心和钢柱的圆心重合。

3.2 设计分析假定

节点建模计算软件MIDAS FEA NX，此软件包含多种建模方式及网格划分方法。运用 MIDAS 强大的分析内核进行线性分析、材料、几何、界面非线性分析、接触分析、水化热分析、钢筋单元模拟、裂缝分析、疲劳分析、势流分析等[1]。涵盖了土木领域所有要用到的分析功能。本次分析运用到了该软件的线性静力分析功能，进行方程组求解。采用四面体网格分割实体单元，单元尺寸采用67mm。边界条件处理与实际受力要尽量接近，在各截面形心建立参考点，耦合参考点与各构件截面的位移，通过对参考点加载实现对截面加载，并在立柱端部建立固定约束。

验算总共分为三次，都考虑构件自重，根据《钢结构通用规范》GB55006-2021[2]钢材强度设计值为295Mpa.施加荷载方式是将295N/mm²的面荷载乘以受力面积，转换成一个作用于顶板正中心的集中荷载。第一次验算按原构件信息建模，在顶部圆钢板施加一个竖直向下大小为8688.34kN的集中荷载；第二次验算在原构件基础上，将顶部圆钢板加厚5mm，从而集中荷载的大小增加至10287.24kN；第三次验算在原构件基础上用一字板加固，如图3所示，即在两个构件的变截面处加一块25mm厚的圆钢板，再在其上竖一块25mm的钢板，其余条件不变。

3.3 设计分析结果

原截面节点Von Mises应力如图1所示，为了进行更好的比较，附上连接板和壁厚为30mm的模型应力云图如图2所示以及用25mm厚一字板加固的模型应力云图如图4所示。对比图1和图2可知，虽然加厚了连接板和梭形柱子的壁厚，但节点应力并没有得到缓解，由最大应力313Mpa增加到325Mpa；对比图1和图3可知，用一字板对该节点进行加固的效果十分显著，最大应力从313Mpa减少到131Mpa，相比原节点减少了60%。

三次验算结果之间存在一定的差异。在第二次验算中，钢板的应力状态相对于第一次验算更为集中，这一方面可能是由于钢板厚度的增加导致了刚度的提高，从而使得荷载更加集中在钢板的中心位置，导致了最大应力的增加；另一方面增加圆钢板的厚度,其自重也会增加,这也会导致圆钢板施加在钢柱上的集中荷载增大。而在第三次验算中，钢板的应力状态相对于第一次验算大为改善。这可能是因为中间焊接的钢板，使得最顶部圆板的荷载能够传递，减小了上部圆柱柱壁的受荷面积；而在变截面处加的圆板，降低了此处应力的集中程度，减少应力的集中，因此这两块钢板这样的协同作用下，最大应力柱壁的应力大大减少。此外，在第二次验算中，钢板的变形和挠度也相对较小，这表明顶板加厚对节点结构的稳定性方面有所改善。

综上所述，前两次静力学验算的差异主要是由于钢板厚度和荷载的变化导致的。在第二次验算中，钢板的更大厚度和更大荷载导致了钢板应力状态的改变和最大应力的增加，但可能也改善了结构的稳定性和可靠性。而第三次验算则表明，对梭形节点进行十字加固能够很好地改善节点的应力。

4 结论

（1）加大梭形柱壁厚和顶部连接板厚度，可以有效提高节点的刚度，减小钢板的挠度和变形，提高稳定性；但是会使应力更加集中，对节点的受力不利，因此并不是梭形节点理想的加固方法。

（2）对梭形节点用一字板进行加固，既能减小构件的受荷面积，又能减少变截面处的应力集中，加强效果十分显著，甚至在本节点验算中，减少了60%的应力。

（3）对梭形节点理想的加固方式是用一字板或十字板加固，但是其工艺较为复杂，在这两种措施都无法实现的情况下，也可以采用加大柱壁厚和连接板厚度的方法。

参考文献

[1] midas FEA NX分析设计原理-2021年

[2] GB55006-2021《钢结构通用规范》[S],中国建筑工业出版社，2021.04。