節點剛度對輕型門式剛架結構設計的影響研究

薛梅松 （銅陵有色設計研究院，安徽 銅陵 244000）

以往，在分析與設計傳統鋼結構過程中，均是假設梁、柱連接是理想狀態下的剛性連接或鉸接連接，但是大量試驗研究發現，工程實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《技術規程》[1]中建議把端板連接設為節點連接的主要形式。輕型鋼結構是一種圍護結構，自體重量輕盈、承重結構橫截面積小、智能化快速安裝，且應用新型結構鋼材的新結構體系，門式鋼架是最具代表性的結構體系。

1 有限元模型

應用有限元軟件ANSYS，針對剛接剛架與半剛接剛架建設三維整體有限元模型進行分析，有限元計算模型見圖1。半剛接、剛接剛架梁柱節點連接分別應用外伸端板、全焊接。在半剛接剛架模型中，應用塑性四邊形板單元，即ANSYS內的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點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的非線性狀況。剛接剛架焊接節點應用焊接處相對應點重合的方法作出擬化行為。在測算過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狀態非線性形成的影響。

門式剛架針對經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°的平面相互對稱，并且施加的荷載在兩個平面上也呈現出對稱性。模型建設初期考慮到計算機系統容量與運行速率，遵照對稱性原則，截取截面面積50.0%的半跨結構進行計算，在確保計算結果準確度的基礎上盡量減少單元數量，以進一步保證測算工作的運行效率[2]。

圖1 門式剛架計算模型

選取工程中具有代表性的設計，共建設了12～18m 4種跨度不同的鋼架模型，剛架柱腳都采用鉸接，梁柱與屋脊節點都采用端板垂直連接，節點構造見圖2。設柱距為6m，屋面坡度取值均為1∶15，設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，經測算 q=4.75 kN/m，分別計算等同荷載狀況下同一規格尺寸的剛接、半剛接剛架。結果表明，當跨度為12m時，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，以上三項指標分別為5.4m、600×200×8×6mm、600×200×8×6mm；跨度為18m時，分別為6.9m、800×200×10×6mm、800×200×10×6mm。

圖2 外伸端板連接節點構造示意圖

整體分析后發現，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，節點半剛性對剛架內力與移位均形成較明顯影響，能同步增加跨中彎矩及位移，但對結構穩定性不形成負面影響。

2 節點剛度對剛架變形的影響

2.1 測算方法

為進一步明確端板連接剛度對剛架測算結果形成的影響，尤其是對鋼架形體變化，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點簡化成具備一定轉動剛度的彈簧連接單元，在SAP 93軟件內讀入剛度矩陣功能的支撐下，把節點的單元剛度矩陣整合至剛架的整體矩陣內，實現對剛架的較精確測算，在此基礎上解讀了鋼架在垂直與水平荷載作用下形體改變情況，計算模型見圖3[3]。

圖3 剛架計算模型

本次研究中選擇了輕鋼規程中列出的典型單跨門式剛架做出對比測算，梁柱截面是現實工程中選用的尺寸，剛架跨度（L）的取值范圍為18～36 m，檐口高度（H）對應值為7.5 m。測算中取屋面坡度為30°，分別測算采用柱腳剛接和鉸接時，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 計算結果分析

因為本次研究中只對鋼架的線彈性作出分析，理論上，具備一定節點轉動剛度的剛架應和整體剛接剛架位移之間的比重應恒定，為提升對比過程的便捷性，擬定把測算結果表示為跨中撓度放大系數ηw=ws/wr與柱頂側移放大系數ηu=us/ur，其中，ws、us分別對應的是具備一定轉動剛度節點剛架的跨中撓度、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；設定剛接節點的轉動剛度為4.243×1010N·mm/rad，則經測算，當跨度為 12、15、18m 時，ηu柱腳剛接對應的位移為1.19、1.18、1.17，柱腳鉸接依次為1.15、1.05、1.05；柱腳剛接對應的位移為1.09、1.07、1.05，柱腳鉸接依次為 1.19、1.17、1.15[4]。

對以上數據進行分析，發現采用柱腳剛接時，節點轉動剛度對垂直荷載作用下跨中撓度形成較大影響；采用柱腳鉸接時，對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，對節點轉動剛度形成的影響有減弱的趨勢。因為測算時全部剛架的梁柱截面與節點剛度都等同，跨度較大的剛架梁柱構件較纖細，對應的彎曲剛度偏低，故而節點的相對剛度較大，此時所測算的ηw、ηu處于較低水平。分析到節點剛度對設計效果形成的影響，現實剛架的變形比例依照剛接剛架測算增加5.0～15.0，節點剛度對變形形成的影響不能整體忽視。

3 基于節點變形影響的設計建議

①當平齊式端板連接剛度處于較低水平時，通常狀況下不能符合剛性節點的要求，剛接節點在結構設計時沒有體現出良好的適用性。而外伸式端板連接應在符合結果強度要求基礎上，側重點是維持節點具備足夠的剛度，減少或規避結構出現較大的撓度和變形。多數情況下，端板豎放節點的設計內力較大，節點處彎矩與剪力指標也同步提升，與之相對應的變形量也較大。和端板豎放節點相比較，端板平放節點設計的內力較小，尤其是剪切力，軸向壓力較大，這對節點受力形成較有利作用，提示有助于控制結構變形情況。

②提升端板厚度有益于增強節點剛度，但厚度增加量應適宜。一般情況下，端板厚度符合“輕剛規程”的厚度計算公式就可以[5]。

③加勁肋對節點剛度可能形成較明顯的影響。針對端板豎放與平放的節點，建議在柱的節點區安置加勁肋。站在降低節點形變量、增強節點剛度的視域去分析，將加勁肋設置在柱節點區段具有很大現實意義，故而在剛架結構設計過程中將其設為一個必要的措施。

4 結語

現階段，輕型鋼結構在工業廠房、辦公樓及高層建筑的非承重構件中均有應用。文章主要闡述節點剛度對輕型門式剛架結構設計效果形成的影響，希望與相關人員能分享技術經驗，實現對剛架變形的有效控制，全面優化建筑工程施工效果。