節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)輕型門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響研究

薛梅松 （銅陵有色設(shè)計(jì)研究院，安徽 銅陵 244000）

以往，在分析與設(shè)計(jì)傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)過(guò)程中，均是假設(shè)梁、柱連接是理想狀態(tài)下的剛性連接或鉸接連接，但是大量試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，工程實(shí)踐中采用的連接形式均是介于理想剛接和理想鉸接之間。在我國(guó)《技術(shù)規(guī)程》[1]中建議把端板連接設(shè)為節(jié)點(diǎn)連接的主要形式。輕型鋼結(jié)構(gòu)是一種圍護(hù)結(jié)構(gòu)，自體重量輕盈、承重結(jié)構(gòu)橫截面積小、智能化快速安裝，且應(yīng)用新型結(jié)構(gòu)鋼材的新結(jié)構(gòu)體系，門式鋼架是最具代表性的結(jié)構(gòu)體系。

1 有限元模型

應(yīng)用有限元軟件ANSYS，針對(duì)剛接剛架與半剛接剛架建設(shè)三維整體有限元模型進(jìn)行分析，有限元計(jì)算模型見圖1。半剛接、剛接剛架梁柱節(jié)點(diǎn)連接分別應(yīng)用外伸端板、全焊接。在半剛接剛架模型中，應(yīng)用塑性四邊形板單元，即ANSYS內(nèi)的SHELL43去擬化梁柱的腹板、翼緣及端板與加勁肋，螺栓頭與螺母利用八節(jié)點(diǎn)的各向同性的塊體元SOLID45去擬化，以接觸單元CONTACT52為支撐去擬化柱翼緣與端板間的接觸區(qū)的非線性狀況。剛接剛架焊接節(jié)點(diǎn)應(yīng)用焊接處相對(duì)應(yīng)點(diǎn)重合的方法作出擬化行為。在測(cè)算過(guò)程中綜合分析了用料的非線性、幾何非線性，并洞察了柱外翼緣與端板兩者相觸及對(duì)狀態(tài)非線性形成的影響。

門式剛架針對(duì)經(jīng)由梁柱腹板中心線平面xoy與跨中和梁截面平面yoz成角為90°的平面相互對(duì)稱，并且施加的荷載在兩個(gè)平面上也呈現(xiàn)出對(duì)稱性。模型建設(shè)初期考慮到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)容量與運(yùn)行速率，遵照對(duì)稱性原則，截取截面面積50.0%的半跨結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，在確保計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度的基礎(chǔ)上盡量減少單元數(shù)量，以進(jìn)一步保證測(cè)算工作的運(yùn)行效率[2]。

圖1 門式剛架計(jì)算模型

選取工程中具有代表性的設(shè)計(jì)，共建設(shè)了12～18m 4種跨度不同的鋼架模型，剛架柱腳都采用鉸接，梁柱與屋脊節(jié)點(diǎn)都采用端板垂直連接，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造見圖2。設(shè)柱距為6m，屋面坡度取值均為1∶15，設(shè)剛架僅承受屋面均布荷載作用q=q恒+q活，取q恒=2.23 kN/m，q活=2.52 kN/m，經(jīng)測(cè)算 q=4.75 kN/m，分別計(jì)算等同荷載狀況下同一規(guī)格尺寸的剛接、半剛接剛架。結(jié)果表明，當(dāng)跨度為12m時(shí)，檐高、梁截面尺寸、柱截面尺寸依次為5.4m、600×150×8×6mm、600×150×8×6mm；跨度為15m時(shí)，以上三項(xiàng)指標(biāo)分別為5.4m、600×200×8×6mm、600×200×8×6mm；跨度為18m時(shí)，分別為6.9m、800×200×10×6mm、800×200×10×6mm。

圖2 外伸端板連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造示意圖

整體分析后發(fā)現(xiàn)，和剛性連接相比較，采用半剛接剛架梁端的形式，其彎矩和位移處于較低水平，節(jié)點(diǎn)半剛性對(duì)剛架內(nèi)力與移位均形成較明顯影響，能同步增加跨中彎矩及位移，但對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不形成負(fù)面影響。

2 節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)剛架變形的影響

2.1 測(cè)算方法

為進(jìn)一步明確端板連接剛度對(duì)剛架測(cè)算結(jié)果形成的影響，尤其是對(duì)鋼架形體變化，文章如下擬定采用有限元方法作出分析，具體是把端板連接節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化成具備一定轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的彈簧連接單元，在SAP 93軟件內(nèi)讀入剛度矩陣功能的支撐下，把節(jié)點(diǎn)的單元?jiǎng)偠染仃囌现羷偧艿恼w矩陣內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)剛架的較精確測(cè)算，在此基礎(chǔ)上解讀了鋼架在垂直與水平荷載作用下形體改變情況，計(jì)算模型見圖3[3]。

圖3 剛架計(jì)算模型

本次研究中選擇了輕鋼規(guī)程中列出的典型單跨門式剛架做出對(duì)比測(cè)算，梁柱截面是現(xiàn)實(shí)工程中選用的尺寸，剛架跨度（L）的取值范圍為18～36 m，檐口高度（H）對(duì)應(yīng)值為7.5 m。測(cè)算中取屋面坡度為30°，分別測(cè)算采用柱腳剛接和鉸接時(shí)，剛架在垂直均布荷載作用下的跨中橈度（w）與柱頂水平力形成的柱頂水平位移（u）。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

因?yàn)楸敬窝芯恐兄粚?duì)鋼架的線彈性作出分析，理論上，具備一定節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的剛架應(yīng)和整體剛接剛架位移之間的比重應(yīng)恒定，為提升對(duì)比過(guò)程的便捷性，擬定把測(cè)算結(jié)果表示為跨中撓度放大系數(shù)ηw=ws/wr與柱頂側(cè)移放大系數(shù)ηu=us/ur，其中，ws、us分別對(duì)應(yīng)的是具備一定轉(zhuǎn)動(dòng)剛度節(jié)點(diǎn)剛架的跨中撓度、柱頂水平位移，wr、ur分別是整體剛接剛架的跨中撓度、ηw柱頂水平位移；設(shè)定剛接節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度為4.243×1010N·mm/rad，則經(jīng)測(cè)算，當(dāng)跨度為 12、15、18m 時(shí)，ηu柱腳剛接對(duì)應(yīng)的位移為1.19、1.18、1.17，柱腳鉸接依次為1.15、1.05、1.05；柱腳剛接對(duì)應(yīng)的位移為1.09、1.07、1.05，柱腳鉸接依次為 1.19、1.17、1.15[4]。

對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)采用柱腳剛接時(shí)，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度對(duì)垂直荷載作用下跨中撓度形成較大影響；采用柱腳鉸接時(shí)，對(duì)水平荷載作用下的柱頂水平位移形成的影響較大。增加剛架跨度時(shí)，對(duì)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度形成的影響有減弱的趨勢(shì)。因?yàn)闇y(cè)算時(shí)全部剛架的梁柱截面與節(jié)點(diǎn)剛度都等同，跨度較大的剛架梁柱構(gòu)件較纖細(xì)，對(duì)應(yīng)的彎曲剛度偏低，故而節(jié)點(diǎn)的相對(duì)剛度較大，此時(shí)所測(cè)算的ηw、ηu處于較低水平。分析到節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)設(shè)計(jì)效果形成的影響，現(xiàn)實(shí)剛架的變形比例依照剛接剛架測(cè)算增加5.0～15.0，節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)變形形成的影響不能整體忽視。

3 基于節(jié)點(diǎn)變形影響的設(shè)計(jì)建議

①當(dāng)平齊式端板連接剛度處于較低水平時(shí)，通常狀況下不能符合剛性節(jié)點(diǎn)的要求，剛接節(jié)點(diǎn)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)沒有體現(xiàn)出良好的適用性。而外伸式端板連接應(yīng)在符合結(jié)果強(qiáng)度要求基礎(chǔ)上，側(cè)重點(diǎn)是維持節(jié)點(diǎn)具備足夠的剛度，減少或規(guī)避結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大的撓度和變形。多數(shù)情況下，端板豎放節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)內(nèi)力較大，節(jié)點(diǎn)處彎矩與剪力指標(biāo)也同步提升，與之相對(duì)應(yīng)的變形量也較大。和端板豎放節(jié)點(diǎn)相比較，端板平放節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的內(nèi)力較小，尤其是剪切力，軸向壓力較大，這對(duì)節(jié)點(diǎn)受力形成較有利作用，提示有助于控制結(jié)構(gòu)變形情況。

②提升端板厚度有益于增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)剛度，但厚度增加量應(yīng)適宜。一般情況下，端板厚度符合“輕剛規(guī)程”的厚度計(jì)算公式就可以[5]。

③加勁肋對(duì)節(jié)點(diǎn)剛度可能形成較明顯的影響。針對(duì)端板豎放與平放的節(jié)點(diǎn)，建議在柱的節(jié)點(diǎn)區(qū)安置加勁肋。站在降低節(jié)點(diǎn)形變量、增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)剛度的視域去分析，將加勁肋設(shè)置在柱節(jié)點(diǎn)區(qū)段具有很大現(xiàn)實(shí)意義，故而在剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中將其設(shè)為一個(gè)必要的措施。

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)階段，輕型鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)廠房、辦公樓及高層建筑的非承重構(gòu)件中均有應(yīng)用。文章主要闡述節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)輕型門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果形成的影響，希望與相關(guān)人員能分享技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)剛架變形的有效控制，全面優(yōu)化建筑工程施工效果。