鋼框架節點板受壓性能分析

王慶江

鋼框架節點板受壓性能分析

王慶江

鋼框架結構節點支撐連接方式以板式連接為主，其設計具有不同于GB50017-2003《鋼結構設計規范》中規定的普通鋼結構節點板的特殊性。建立鋼框架結構連接支撐的典型節點有限元模型，進行節點板受壓性能分析，總結了節點板厚度、無支長度、支撐連接角度和加勁板厚度對節點受力的影響規律。結果表明，節點板厚度和無支長度對于節點板受壓性能影響較大，支撐連接角度影響較小。

鋼框架；節點；節點板；無支長度；加勁板；支撐連接角度

鋼框架為工業特種結構，其結構設計在結構布置、荷載取值等方面具有較大的特殊性，但我國目前尚無針對此類特殊工業建筑的設計規范或規程，一般參照民用建筑設計規范設計[1]。

鋼框架結構節點支撐連接方式以板式連接為主，節點板為主要傳力構件，由于鋼框架結構節點板的自身特性，其設計具有不同于GB50017-2003《鋼結構設計規范》中規定的普通鋼結構節點板的特殊性。為了滿足“強節點、弱構件”的設計思想，節點板應當具有足夠的承載力，為保證其不先于支撐失穩，需對節點板的受壓性能進行深入研究[2]。

應用有限元軟件ANSYS，以天津水泥工業設計研究院有限公司某項目的鋼框架結構為例，通過分析節點板厚度、無支長度、支撐連接角度和加勁板厚度等多種因素對節點受力的影響，總結提出設計建議。

1 節點板受壓性能影響因素確定

1.1 節點板受壓性能主要影響因素

鋼框架結構連接支撐的節點，其節點板相關尺寸如圖1所示，根據節點特點確定節點板受壓性能主要影響因素如下：

（1）未設置加勁板時：有節點板厚度t、支撐連接角度β、無支長度L等三個因素。

（2）設置加勁板時：除上述三個因素外，同時考慮加勁板厚度tj的影響。

1.2 節點板受壓性能主要影響因素的取值范圍

節點板連接支撐兩側所預留的寬度w（圖2）取固定值30mm，支撐鋼管直徑取固定值508mm，上述影響因素的取值范圍如下：

（1）節點板厚度：取值分別為15mm、20mm、25mm和30mm。

（2）支撐連接角度：取值分別為30°（A）、37.5°（B）和45°（C）。

（3）無支長度：取值分別為363mm（a）、563mm（b）、763mm（c）。

圖2 預留寬度w示意圖

無支長度數值選取原則為，保證支撐同梁、柱等其他構件不碰撞時確定無支長度的最小值，保證支撐與節點板連接焊縫的長度滿足支撐內力的要求時確定無支長度的最大值，其中最大值確定時需保證支撐端部距離節點板嵌固線＜4倍的節點板厚度[3]。

（4）加勁板厚度：設置加勁板時，加勁板厚度取值分別為8mm、12mm、16mm和20mm。

2 有限元模型建立

節點有限元模型如圖3所示。以單一變量為原則，調整各影響因素的取值，確定32個不同分析模型的編號及各模型所對應的有效寬度bE，如表1所示。

圖3 節點有限元模型

節點板采用4節點四邊形殼單元Shell181模擬，該單元具有處理塑性、大變形及大應變的能力，節點板材料采用雙線性等向強化準則，其中屈服強度為345N/mm2，彈性模量為2.06×105N/mm2，切線模量為2.06×103N/mm2（通常取彈性模量的1/100），其他構件及板件采用的有限元單元與前文相同。

由于薄板受壓易發生失穩破壞，節點板發生失穩破壞時，會產生較大的平面外變形，且失穩前板件有進入塑性的可能，因此要在分析過程中同時考慮節點板材料與幾何非線性。初始幾何缺陷設置如下：先對結構模型進行彈性屈曲分析，提取模型平面外位移，對位移數值進行歸一化處理，將處理結果乘以節點板厚度的5%后，作用在原結構模型上，再對結構模型進行彈塑性屈曲分析。

在有限元分析的求解過程中，采用適合于非線性靜力分析的弧長迭代法，該計算方法可以考察節點板發生失穩后承載力的下降情況，可以提取失穩時板件的應力分布狀態，以確定板件發生整體或局部失穩時是否已經進入塑性。設置初始每級荷載步為100kN，到達1 000kN之后荷載增量為50kN，以更準確地確定節點板極限承載力Fu。

3 不同因素對節點板受壓性能影響分析

3.1 節點板厚度t的影響分析

不同支撐連接角度模型中，除節點板厚度外，其他尺寸均相同。支撐連接角度為37.5°時，節點板極限承載力隨板厚變化的曲線如圖4所示。

由圖4可知，隨節點板厚度的增加，節點板極限承載力增大；對于連接角度為37.5°的節點，節點板厚度＞25mm時，節點板極限承載力的增加速率減緩，節點板破壞模式由自由邊失穩轉化為整體平面外失穩。

表1 有限元模型編號及有效寬度值*，mm

圖4 節點板極限承載力Fu隨節點板厚度t變化的曲線

出現上述現象的原因如下：

（1）節點板厚度決定節點板受壓截面面積的大小，當節點板厚度增加時，在相同的壓力作用下，節點板應力下降，節點板極限承載力變大。

（2）節點板厚度的增加可增加節點板的平面外抗彎剛度，且節點板沿支撐軸線中心受壓部分長細比隨之減小，節點板失穩臨界力提高。

（3）節點板非中心受壓部分對節點板中心受壓部分起到一定的約束作用，隨節點板厚度的增加，約束作用增強。

（4）節點板的破壞分失穩破壞和強度破壞兩種形式，失穩破壞又分為整體失穩、自由邊局部失穩兩種模式，節點板極限承載力與節點板破壞模式密切相關。節點板厚度的變化導致節點板破壞模式發生變化，故節點板承載力隨節點板厚度增長的斜率有所變化。

圖6 不同節點板厚度節點板平面外變形圖（L1截面處）

以支撐連接角度為45°、無支長度為563mm（xCb系列）節點板分析模型為例，分析節點板平面外位移變化，圖5給出了隨節點板厚度的增加，節點板位移的變化曲線，圖6給出了L1位置，不同節點板厚度節點板受壓區平面外變形圖。

由圖5、圖6可知：隨著節點板厚度的增加，節點板極限承載力增大，破壞時的最大應力增大；隨著節點板厚度的增加，節點板平面外最大位移減小，厚度為30mm時，位移＜5mm，節點板已進入塑性狀態，其破壞模式由發生較大平面外位移的失穩破壞轉變為材料強度的破壞。

3.2 無支長度L的影響分析

通過非線性分析得到不同支撐連接角度下，節點板受壓極限承載力隨無支長度L變化的曲線，支撐連接角度為30°的情況如圖7所示。

圖5 節點板平面外位移z最大值與節點板厚度t的關系

圖7 節點板極限承載力Fu隨無支長度L變化的曲線

由圖7可知，節點板的極限承載力隨無支長度L的增加而減小。板厚為15mm、20mm模型的極限承載力下降速率較板厚為25mm、30mm時緩慢，這是因為板厚為15mm和20mm時節點板發生自由邊失穩而非整體平面外失穩。

以支撐連接角度為45°、節點板厚度為25mm（25Cx系列）節點板分析模型為例，分析節點板平面外位移變化，圖8給出了隨無支長度增加，節點板平面外位移最大值的變化曲線，圖9給出了不同無支長度節點板沿支撐連接軸線受壓區（L3）平面外最大位移圖，圖10給出了L=363mm時節點板的應力云圖。

圖8 節點板平面外位移z最大值與無支長度L的關系

圖9 不同厚度節點板平面外變形圖（L3截面處）

圖10 節點板應力云圖（L=363mm）

由上述分析可知：隨著無支長度的增加，節點板平面外位移最大值增大，位移最大位置隨支撐連接位置下移。當無支長度為363mm，節點板平面外位移＜10mm，發生強度破壞；當無支長度為763mm，平面外位移49.9mm，發生平面外失穩破壞。隨著無支長度的增加，節點板承載能力降低，破壞時的最大應力增大，高應力主要分布區域隨無支長度的增加而發生位置移動，如圖10中A、B位置所示。

3.3 支撐連接角度β的影響分析

節點板厚度為15mm和20mm時，極限承載力隨支撐連接角度β變化的曲線如圖11所示。

圖11 節點板極限承載力Fu隨支撐連接角度β變化的曲線（15mm，20mm厚）

由圖11曲線變化趨勢可發現，β在30°～45°之間變化時，其對節點板受壓極限承載力有一定影響，即當節點板厚度、無支長度不變時，極限承載力逐漸下降。

以節點板厚度為25mm、無支長度為563mm（25xb系列）時的節點板分析模型為例，分析支撐連接角度對節點板平面外位移的影響，如圖12所示，由于支撐連接角度的影響較小，平面外位移變化不大。

由上述分析可知：節點板極限承載力隨支撐連接角度變化，與節點板的板厚存在較大關系，對于節點板厚度一定的情況，支撐連接角度對節點板的極限承載力和平面外位移影響較小。

3.4 加勁板厚度tj的影響分析

圖12 節點板平面外位移z與支撐連接角度β的關系

加勁板對節點板提供側向剛度，加勁板厚度的變化與支撐連接角度和無支長度無直接關系，主要考察加勁板厚度不同時對節點板受壓性能的影響。研究支撐連接角度為45°、無支長度為563mm（xCb系列）節點板分析模型，節點板厚度變化時節點板極限承載力與加勁板厚度的關系曲線如圖13所示，此時加勁板厚度分別取8mm、12mm、16mm和20mm。

圖13節點板極限承載力Fu隨加勁板厚度tj變化的曲線

圖14 給出了隨著加勁板厚度的增加，節點板平面外位移最大值的變化曲線，圖15給出了不同加勁板厚度節點板受壓區（L1截面處）平面外變形圖。節點板應力分布隨加勁板厚度的增加變化不大，加勁板厚度為12mm時節點板應力云圖如圖16所示。

由上述分析可知：加勁板厚度主要為節點板提供側向剛度，節點板厚度為15mm，加勁板厚度為8mm即可滿足要求，但此時節點板的極限承載力較小；節點板厚度為30mm時，隨著加勁板厚度的增加，節點板極限承載力增加的趨勢較節點板為15mm時明顯；節點板厚度為30mm時，tj=16mm時的節點板極限承載力為tj=8mm時的1.4倍；當加勁板厚度增加到一定值時，其作用效果降低，節點板極限承載力增長率減小，對于節點板厚度＞30mm時，加勁板厚度取16mm即可。

4 結語

總結32個模型的非線性分析結果，可得到以下結論：

（1）節點板厚度t對節點板受壓性能影響最大，厚度＞25mm后，平面外位移＜50mm，當厚度為30mm時，節點板將不會發生失穩破壞而轉變為強度破壞。

（2）無支長度L對節點板平面外位移及節點板極限承載力的大小影響均較大，但其長度受連接支撐焊縫長度及構造要求的限制，因此節點板設計時按焊縫長度及構造要求確定無支長度即可。

（3）節點板厚度一定時，支撐連接角度對節點板的極限承載力和平面外位移有一定的影響。

（4）節點板厚度為15mm時，建議加勁板厚度≮8mm；節點板厚度為25mm時，建議加勁板厚度≮12mm；節點板厚度為30mm時，加勁板厚度為16mm即可為節點板提供足夠的平面外側向剛度。

圖14 節點板平面外位移z最大值與加勁板厚度tj的關系

圖15 不同加勁板厚度節點板平面外變形圖（L1截面處）

圖16 節點板應力云圖（tj=12mm）

[1]尹越，陳志華.水泥鋼預熱器鋼塔架優化設計研究[J].工業建筑，2008，38（5）：109-112．

[2]GB50017-2003，鋼結構設計規范[S].

[3]杜鵬.支撐板式連接節點受壓性能及設計方法研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學，2011．

[4]李國強，陸燁，李元齊.鋼結構研究和應用的新進展[M].北京：中國工業建筑出版社，2009.

[5]Brune,B.New effective widths of three-sided supported steel plates and influence on coupled instabilities of members in bending and com?pression[M].Lisbon,Portugal:Imperial College Press,2000.

[6]CEN.Pr EN 1998-1:2003 Euro code 8(Stage 49 Draft No.6):De?sign of structures for earthquake resistance[S].Brussels,2003.

[7]ANSI/AISC 341-05.Seismic provisions for structural steel buildings [S].American Institute of Steel Construction:2005.

[8]張福.水泥廠鋼框架結構抗震性能分析[D].天津:天津大學，2012.■

The Analysis of the Compression Performance of Gusset Plate in Steel Frame

WANG Qingjiang
(Tianjin Cement Industry Design&Research Institute Co.Ltd.,Tianjin,300400)

Due to the particularity of the steel frame structure,the design of gusset plate frame beam column joints is different from Code for Design of Steel Structures(GB50017-2003).In this paper,the compression performance of typical gusset plate frame beam column joints in steel frame structure is studied by finite element analysis model.The effect of the main parameters and the node plate for steel frame structure of the gusset plate are investigated.Results show that,supporting connecting angle has little effect on the gusset plate,while the gusset plate thickness and the unsupported length play a major role.

steel frame structure;beam column node;gusset plate;unsupported length;node plate; supporting connecting angle

TU391

A

1001-6171（2017）03-0052-07

天津水泥工業設計研究院有限公司，天津300400；

2016-09-05；編輯：孫娟