網架鑄鋼空心球節點的設計與有限元分析

寶鋼鋼構有限公司 上海 200933

1 工程概況

某博物館建筑面積約為16 300 m2，整個鋼網架屋面呈鹽結晶體形狀，形式新穎獨特（圖1）。鋼結構網架通過節點支座，與柱頂（或柱側面）混凝土鋼板埋件連接。原結構設計僅提供XSTEEL模型圖，主要桿件交匯節點如圖2所示，鋼結構節點需進行深化設計。

2 節點設計難點及特點

（a）本項目鋼結構框架呈空間多維三角面，主要桿件采用Q345圓管桿件相貫相接，桿件長短不一，相貫種類多樣；

（b）節點設計主要包含3 項內容：成品支座、鑄鋼件節點、管管相貫節點，原結構設計均未明確，需補充節點深化設計；

（c）依據設計構思，部分鋼管匯集節點采用剛性節點，節點承載彎矩，宜采用鑄鋼節點，鑄鋼節點的計算和受力分析異常復雜。

3 節點設計分析思路

（a）一般而言，有眾多主桿件匯交，桿件截面大、內力大，桿件間角度無規律、無明顯的主次之分，建筑有一定的外觀要求時，要求采用鑄鋼節點。

（b）經過模型參數選擇分析，共有60 個節點位置處的主桿件相交節點，作鑄鋼節點與否則需要根據SAP2000模型中桿件受力大小情況，并結合三維XSTEEL實體模型逐一檢查核對（圖3）。

圖1 博物館整體效果圖

圖2 原結構設計主要節點形式

圖3 上部鋼結構三維模型

（c）Φ1 200 mm×40 mm鑄鋼空心球重1.33 t，內部隔板重0.3 t，主管相對位置處的短支腿Φ480 mm×25 mm，重280 kg/m，預估每個節點重3～4 t，因此節點的吊裝定位將是現場安裝的一大難點。

（d）成品支座主要功能為釋放溫度、減小混凝土收縮引起的不利位移、增強節點轉動能力以實現鉸接、減小地震作用對下部的影響，支座設計時需要根據結構設計的意圖及內力，并結合下部柱截面大小才能確定支座形式、尺寸。

（e）支管與支管、支管與主管一般采用相貫節點，以遵循相貫桿件組拼規范及設計要求[1]。

4 空心球節點設計有限元分析

本項目鋼結構為折面空間網格結構，同一個節點處有多個折面匯交，導致節點處處理十分復雜（圖4），為保證建筑外觀及受力要求，考慮采用鑄鋼節點。本文取特別復雜的9 個折面同時與柱相交處的節點進行有限元計算分析（圖5）。

圖4 復雜相貫節點三維模型

圖5 擬選取鑄鋼節點位置示意

此鑄鋼節點總共有12 根桿件匯交，除柱及斜撐外各桿件截面為Φ480 mm×12 mm，各桿件方向不一。為保證節點安全適用、經濟合理，節點選用鑄鋼空心球節點形式，下文采用有限元分析對此節點進行承載能力分析。

4.1 節點有限元分析

采用有限元軟件ANSYS 14.0進行計算分析[2]。分析模型及材料特性的選取均參考《鑄鋼節點應用技術規程》CECS 235—2008的內容。

4.2 材料特性

鑄鋼件材質為GS-20Mn5QT，熱處理狀態為調質。材料彈性模量E=206 000 MPa，泊松比μ=0.3，屈服強度取300 MPa，設計強度取235 MPa。其材性指標見表1。

表1 鑄鋼力學性能表

4.3 有限元模型

4.3.1 有限單元模型

空心球鑄鋼節點的有限元分析采用實體單元，單元選用SOLID186單元。初步設計階段與Φ480 mm×12 mm、Φ450 mm×14 mm鋼管相應的鑄鋼段壁厚分別取20 mm、25 mm進行分析，空心球取Φ1 200 mm×40 mm，內部設置加勁板。鑄鋼件節點區域有限元計算模型如圖6、圖7所示，采用自由網格劃分單元。

圖6 鑄鋼節點有限元網格劃分模型

圖7 鑄鋼節點有限元網格 劃分模型（內部加勁）

4.3.2 荷載及約束

根據有限元軟件SAP2000計算結果，提取節點區各桿件最大軸力及彎矩，節點區桿件單元編號如圖8及單元內力列表如表2所示。

圖8 節點區桿件編號

表2 節點區桿件單元編號及單元內力列表

對節點區各桿件施加面壓力荷載及節點集中荷載，將下部鋼柱底部處作為鑄鋼節點支撐，施加節點約束[3]。荷載及邊界條件如圖9所示。

圖9 節點荷載

4.4 鑄鋼節點計算結果

鑄鋼節點Von-Mises應力分布及整體變形圖依次如圖10～圖15所示。

圖10 鑄鋼節點整體應力分布

圖11 鑄鋼節點內部加勁應力分布

圖12 鑄鋼節點變形一

圖13 鑄鋼節點變形二

圖14 鑄鋼節點變形三

圖15 鑄鋼節點變形四

由節點Von-Mises應力分布如圖可知，最大Von-Mises應力位于柱底約束位置處，這是由于各鋼管桿件的內力均取最大值導致節點內力不平衡而在柱底產生了附加彎矩造成的，但其最大值僅235 MPa，仍小于鑄鋼強度設計值。

各支管最大應力為168.5 MPa，斜撐最大應力76.6 MPa，鑄鋼空心球最大應力為120.6 MPa，球內加勁板最大應力為58.8 MPa，所有應力均小于強度設計值。可見，本節點強度滿足規范要求，節點安全可靠。

根據以上鑄鋼件節點有限元分析，可指導其余鑄鋼件深化設計，從而完善鋼結構深化圖紙。

5 結語

復雜空間異型網架結構越來越多地運用于現代建筑中，鋼結構節點深化設計的合理性、可靠性、經濟性是其指導思想。針對復雜鑄鋼件節點，需進行結構整體分析、模型搭建、桿件應力計算，從而實現節點構造的合理性，滿足原結構設計和實際施工的要求。本文全過程剖析了多維相貫節點的有限元設計分析過程，為成功實現詳圖轉化提供了模型及數據依據。