4m跨度鋼結(jié)構(gòu)組合樓蓋典型節(jié)點的設(shè)計及有限元分析
摘 要：通過對一種新型的超規(guī)范大跨度鋼桁架混凝土組合樓蓋的典型復(fù)雜節(jié)點進行設(shè)計和有限元分析，在規(guī)范推薦的節(jié)點構(gòu)造基礎(chǔ)上提出了一種新型的用于大跨度組合樓蓋的節(jié)點構(gòu)造形式，有限元分析結(jié)果表明：此種節(jié)點構(gòu)造形式具有良好的受力性能和足夠的安全度。
關(guān)鍵詞：組合樓蓋；典型節(jié)點；有限元分析
隨著我國城市化進程的加速，大跨度鋼結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)層出不窮，而節(jié)點設(shè)計一直是大跨結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)，節(jié)點設(shè)計是否得當(dāng)對整個結(jié)構(gòu)的安全性、抗震性和整體性有著直接的影響，因此選擇合理的節(jié)點構(gòu)造形式使節(jié)點具有足夠的極限承載力和安全度就顯得格外重要。傳統(tǒng)的鋼管結(jié)構(gòu)中節(jié)點的形式主要有鋼管相貫節(jié)點、焊接空心球節(jié)點和螺栓球節(jié)點，其構(gòu)造形式及理論分析都比較成熟，而對于由H型鋼構(gòu)成的大跨度鋼桁架一混凝土組合樓蓋，采用何種節(jié)點構(gòu)造形式才能使節(jié)點在有足夠安全度的情況下達到用鋼量省和施工方便是亟待解決和需要深入研究的問題。
l 工程概況
南通市體育會展中心為江蘇省第16屆省運會的主要競技場館，該體育館二樓網(wǎng)球練習(xí)場為一45 m×54 m的大跨度樓蓋，整個樓蓋內(nèi)部無豎向支承，樓面結(jié)構(gòu)通過滑動鉸支座支承于混凝土框架梁上。由于該樓蓋結(jié)構(gòu)跨度達到45 m(已超出規(guī)范小于40 m的規(guī)定130)、結(jié)構(gòu)高度小(要求小于1．7 m)、使用荷載高(約為10 kN／m。)。顯然通常意義的樓蓋無法滿足上述這種大荷載、大跨度、小結(jié)構(gòu)高度的苛刻要求。本工程在經(jīng)過多種結(jié)構(gòu)方案的技術(shù)、經(jīng)濟指標對比論證的基礎(chǔ)上最終選用了新穎的雙向正交鋼桁架一混凝土組合結(jié)構(gòu)體系(圖1)，桁架上下弦桿及斜腹桿都采用易于焊接連接的H型鋼，豎腹桿采用無縫鋼管，桁架上鋪厚100 mm鋼筋混凝土樓面板，結(jié)構(gòu)高度為1．67 m，跨高比達27?；炷翗巧w與上弦桿采用栓釘連接(圖2)，桁架的節(jié)點全部為剛接。
對于這種新型的大跨度雙向正交鋼桁架一混凝土結(jié)構(gòu)體系的節(jié)點設(shè)計，國內(nèi)沒有同類工程可以參考，且由于節(jié)點處的匯交桿件多、節(jié)點受力大，普通的鋼板節(jié)點遠遠不能滿足設(shè)計要求，故需尋求合理的節(jié)點構(gòu)造形式在滿足安全、經(jīng)濟、且方便施工的基礎(chǔ)上有足夠的安全度以滿足“強節(jié)點弱構(gòu)件”的設(shè)計要求。限于篇幅本文選取了樓蓋中部主桁架中桿件受力最大、匯交桿件最多(達9根)的下弦端部節(jié)點為典型節(jié)點進行設(shè)計和分析，其他部位的節(jié)點采取了類似的構(gòu)造措施。
GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》對于梁、柱和支撐相連的節(jié)點構(gòu)造推薦了在支撐端部設(shè)置擴大的節(jié)點板與支撐相連的節(jié)點構(gòu)造方式即節(jié)點構(gòu)造形式1(圖3)，其主次桁架的節(jié)點板與斜腹桿的腹板等厚，設(shè)置在下弦的加勁肋與斜腹桿的翼緣等厚，主桁架的下弦桿在節(jié)點處貫通，次桁架及腹桿與主桁架和節(jié)點的連接都采用標準節(jié)點等強連接。圖3中標準節(jié)點的對接部位采用全熔透坡口焊并保證焊接連接的承載能力不低于母材。加勁肋采用角焊縫與主桁架的下弦相連。此種節(jié)點構(gòu)造形式美觀、輕巧，但節(jié)點部位弧形節(jié)點板和蓋板加工比較麻煩且節(jié)點顯得相對柔弱。
分析結(jié)果表明：在設(shè)計荷載作用下該節(jié)點構(gòu)造形式存在較強的應(yīng)力集中現(xiàn)象，盡管通過增加節(jié)點板板厚，其受力性能有所改善，但其安全度和剛度仍不能滿足設(shè)計要求。
鑒于此大跨度樓蓋的跨度、荷載都比較大且組合網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)高度僅為1．67 m，在用鋼量比較經(jīng)濟的情況下桿件的設(shè)計內(nèi)力很大；為了保證節(jié)點有足夠的安全度，節(jié)點設(shè)計時本工程在對節(jié)點形式1進行有限元分析的基礎(chǔ)上曾提出了多種節(jié)點構(gòu)造形式進行試算和調(diào)整，并最終在滿足安全的前提下考慮施工便利而取用了如圖4所示的馬鞍型節(jié)點，即節(jié)點形式2。此節(jié)點形式通過在節(jié)點板部位設(shè)連續(xù)的馬鞍型蓋板使斜腹桿與蓋板垂直相交并用全熔透坡口焊連接，從而使施工更加方便且易于保證質(zhì)量。
針對節(jié)點區(qū)域剛度不足的缺點在主桁架斜腹桿的翼緣部位設(shè)置了與翼緣等厚的加勁肋，次桁架斜腹桿按構(gòu)造設(shè)置一道加勁肋，主桁架及次桁架的桿件連接仍采用標準節(jié)點進行拼接。
3典形節(jié)點的有限元分析
DG／TJ 08—52—2004《空間格構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》規(guī)定空間格構(gòu)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜節(jié)點及細部構(gòu)造應(yīng)采用實體有限單元法進行線性、非線性分析。為此，本工程在設(shè)計過程中運用通用有限元分析軟件AN—SYS，選用10結(jié)點四面體三維實體單元Solid 92對設(shè)計采用的典型節(jié)點即節(jié)點形式2進行了詳細的線性及非線性有限元分析
