某钢桁架连桥节点设计及拓展分析

 周伟星1  孙文波1，2  王剑文1  周伟坚1

 （1．华南理工大学建筑没汁研究院，广州  510640;2．华南理工大学土木与交通学院，广州  510640）

摘  要：钢桁架结构是工程应用非常广泛的一种结构体系。以实际工程的钢桁架结构为背景，该钢桁架结构主要受力构件采用箱形截面，对其关键节点进行设计、分析及优化，并在此基础上拓展到H型钢构件的“K+T”形节点设计，提出了“K+T”形节点设计中存在的问题和优化方案

关键词：钢结构桁架；“K+T”形节点；节点有限元分析；嵌入法  DOI:10.13206/j. gjg201603018

1  工程背景及结构体系概述

 某办公建筑塔楼之间设置连桥连通，该连桥采用的是钢桁架结构（图1），钢连桥跨度为36 m。钢连桥采用了广义工字桁架的结构体系，其中广义“腹板”由一榀钢桁架组成，其桁架上弦和下弦截面为箱形断面，其断面尺寸为400 mm×300 mm×10 mm×10 mm;中部斜腹杆和直腹杆截面为箱形断面，其断面尺寸为300 mm×300 mm×10 mm×10 mm。广义“上翼缘”和广义—F翼缘”由面内桁架组成；广义“上翼缘”和广义“下翼缘”的面外为满足建筑通透的效果要求在中部未没置任何立杆，仅在两端设置立柱，截面为箱形300 mm×300 mm×10 mm x10 mm;其面内设置斜撑截面为ɸ152×8。广义工字桁架的结构除斜撑（ɸ152×8）为两端铰接连接外，其余连接均为刚接连接。钢连桥中的广义“腹板”桁架的下弦一端，采用固定铰支座，另一端的顺桥向释放平动位移，即单向滑动支座。钢连桥的4个角点仅提供竖向支承。所有钢材均采用Q345B。

 广义“腹板”即中间钢桁架是该连桥的主要受力体系，固定铰支座处（节点1）及靠近固定铰支座处（节点2）的“K+T”形节点受力最大，是该连桥的关键节点，为保证节点安全适用，采用有限元软件对上述两处节点进行使用阶段承载能力分析。节点的没计方案如图2所示。

2  节点嵌入式分析

 本文采用嵌入法对节点进行分析，即在对结构进行整体有限元分析时，将节点壳单元模型嵌入整体梁单元模型中，在梁单元与壳单元的连接部位设置刚性连接构件以传递内力。嵌入法使得节点有限元模型的边界条件与实际情况完全一致，保证了分析结果的准确性。本文分析软件采用Strand 7，节点采用壳单元，其他杆件采用空间梁单元，在梁单元与壳单元的连接部位采用刚性连接单元连接并传递内力。桥面施加1.5 k N／m2的附加恒载以及3.5 k N／m2的活载（考虑人员密集），桥顶施加1.5 k N／m2的附加恒载以及0.5 k N／m2（按不上人屋面设计）的活载，桥两侧考虑1.0 k N/m2的玻璃幕墙。由于篇幅关系，本文仅给出节点在竖向荷载组合“1. 35恒载+1.4×0.7活载”下的应力云图（图3）。由计算结果可见：节点1在设计组合下的应力未超过屈服强度，该节点是安全的；节点2在设计组合下大部分区域的应力未超过屈服强度，但是在斜腹杆和下弦杆相交处（图3b中圆圈位置）出现了应力集中现象，所以有必要对节点2进行优化设计。

 根据上述分析结果，对节点2设计方案进行优化，杆件相交处采用倒圆角的处理方式，如图4所示。由分析结果可见：通过采取倒圆角的处理方式，消除了原方案节点应力高度集中的现象，节点所有区域的应力没有超过屈服强度，节点是安全的。但是从节点的应力分布可以看出：受拉斜腹杆在靠近节点区域处上翼缘受力明显变小。分析第1次优化后的节点方案，该斜腹杆上翼缘沿杆件受力方向不连续，上翼缘在拉力作用下轴向刚度相对变小，由两侧腹板承担了较多的荷载，所以上翼缘与两侧腹板交界处出现了应力集中现象。

 对节点进一步优化，在斜腹杆上翼缘位置处增设内部加劲肋，以提高上翼缘面外刚度，而且使得传力路径比较均匀和连续，节点优化方案如图5所示。由分析结果可见：内部加劲肋有效改善了斜腹杆的受力分布，所以建议在施工许可的情况下，对类似工程的“K+T”形节点设计采用第2次优化后的节点方案。

3“K+T”形节点拓展设计及分析

 本工程钢桁架弦杆和腹杆采用的是箱形断面，在实际工程中此类“K+T”形节点还有采用H形断面的情况，本节将上述节点2中的杆件采用H型钢替换（将400×300×10× 10的箱形断面替换为H400×300× 10×10，将300 x300 x10 xl00的箱形断面替换为H300× 300× 10×10），并进行节点设计和分析。本文参考现有的工程案例，共分析了9种不同的节点方案，如图6所示。

 其中方案1是根据计算模型直接设计的节点形式，但是建筑师为追求美观往往要求采用方案2和方案3的节点形式。

 本文首先对方案1-方案3进行计算分析，各方案的节点应力如图7所示。由分析结果可见：方案1节点所有区域的应力均小于材料屈服强度，而且节点应力分布连续仅在部分构件相交处出现应力集中现象，节点整体设计满足要求。方案2和方案3节点在斜腹杆上翼缘处的腹板区域（图中圆圈位置）应力明显较大且超过了材料的屈服强度。分析节点的传力路径可以推断此处应力较大的原因是斜腹杆的上翼缘在节点区域处不连续，所以本来应由上翼缘承担的部分荷载转移到其附近的腹板区域。

 根据上述推断，对方案2和方案3进行优化，在对应斜腹杆上翼缘位置处设置纵向加劲肋提供上翼缘面外刚度而且使得节点传力路径相对比较连续，节点优化方案如图6d-图6f所示。由图7对应分析结果可见：纵向加劲肋并没有很好地改善节点的受力情况，图中圆圈所示的腹板区域应力仍然较大。对节点进一步优化，直接采用斜腹杆上翼缘连续的做法如图6g、图6h所示。由分析结果可见：斜腹杆上翼缘连续化处理后，靠近斜腹杆上翼缘处的节点区域受力明显得到改善，但是在斜腹杆的下翼缘处又出现了应力较大的问题（图中箭头所示区域），因此对斜腹杆的下翼缘采取同样的优化方法即将下翼缘连续化，如图6i所示。由分析结果可见：在斜腹杆上下翼缘都连续化处理后，节点的受力情况得到了明显的改善，但是经过一再优化的节点方案9已经与方案2、方案3相差甚远，也不如节点方案1那么直接明了。

 综上分析，在上述H型钢结构的设计中，从结构设计的角度应优先采用方案1，即尽量使构件连续以保证节点受力均匀和连续。如果要采用方案2和方案3则必须加厚节点区域的腹板以满足节点承载力的要求。

6  结  论

 1)采用嵌入法对某工程中节点进行有限元分析，能够更准确地模拟节点的边界条件和受力情况，分析结果表明该工程节点满足要求。

 2)箱形截面构件组成的“K+T”形节点设计中杆件相交处应采用倒圆角的处理方式以避免出现应力集中，并且应使斜腹杆连续或采取设置加劲肋等方法保证腹杆的受力均匀和连续。

 3)为了满足建筑师追求美观的要求常见H形截面构件组成的“K+T”形节点设计中往往采用杆件相交处倒圆角的方法，但是这种处理方法导致斜腹杆上、下翼缘在节点区域不连续从而导致节点受力不均匀。建议从结构设计的角度应优先考虑使构件连续以保证节点受力均匀和连续，否则必须加厚节点区域的腹板以满足节点承载力的要求。