【文章內(nèi)容簡介】 認(rèn)為：當(dāng)支撐構(gòu)件發(fā)生屈曲時，與支撐桿端部相連的節(jié)點板應(yīng)具有足夠的延性，以便滿足支撐桿端部轉(zhuǎn)動，節(jié)點板的延性破壞模式應(yīng)為流塑模式；并建議：支撐桿與節(jié)點板連接節(jié)點的承壓能力和屈服能力，不應(yīng)小于采用預(yù)計的實際屈服應(yīng)力計算的構(gòu)件屈服能力。 2020 年聶華 [46]對鋼結(jié)構(gòu)支撐節(jié)點板與梁柱連接的內(nèi)力計算方法進行比較分析研究。他認(rèn)為：主要對比分析了國內(nèi)常用的簡化計算方法和美國的均 力法，并采用了實例進行對比分析，國內(nèi)的簡化方法安全系數(shù)更高，但會造成一定程度的浪費。因此，當(dāng)支撐內(nèi)力較大時，宜采用均力法計算，或者用其它更接近實際的計算方法。 2020 年黃明超 [47]對鉸接鋼架支撐連接節(jié)點性能及其設(shè)計方法進行研究，他指出：根據(jù)試驗的結(jié)果進行分析研究，即使人字形支撐端部不滿足 2t 時，節(jié)點板仍具有很好的塑性變形能力，仍能實現(xiàn)平面外失穩(wěn)后的塑性轉(zhuǎn)動。同時作者還指出，在水平地震荷載作用下，在節(jié)點板的平面外方向施加的加勁肋，并沒有提高整個體系的耗能能力 11 和屈曲承載力。為了施工方便和構(gòu)造簡單，因此，作者 建議：對于人字形支撐與梁連接的節(jié)點板，其自由邊長度和厚度之比可以大于 yf912 ，不需要在節(jié)點板外加肋。 2020 年顏瀟瀟、童根樹等人 [48]基于成達大廈實際工程，對跨層巨型斜支撐體系的節(jié)點進行分析與設(shè)計研究。根據(jù)有限元分析的結(jié)果，他認(rèn)為：支撐與梁相交節(jié)點域的剪應(yīng)力和 vonmises 應(yīng)力都較大，超過了材料的允許應(yīng)力，因此，針對原設(shè)計中此節(jié)點域厚度與中間梁段腹板厚度相同進行修改，加厚到原來的一倍才滿足安全要求。作者結(jié)合此工程的分析，對于此節(jié)點域薄弱的情況，可采取下列方法：增 大支撐節(jié)點域處梁腹板的厚度，或采用與支撐腹板同厚，當(dāng)由于支撐翼緣較厚時，可采取梁打斷支撐貫通的做法。 2020 年陳世璽 [49]對節(jié)點板式連接的支撐節(jié)點進行力學(xué)性能分析和設(shè)計方法研究。他指出：當(dāng)支撐采用節(jié)點板與梁柱連接時，節(jié)點板厚度和支撐與柱夾角對節(jié)點板的破壞順序影響不大；支撐翼緣寬厚比較小時，支撐具有較長的低周疲勞壽命；支撐的長細比較大時，支撐具有較長的低周疲勞壽命；當(dāng)節(jié)點板滿足 2t 時，支撐具有更高的低周疲勞壽命。 2020 年 牟 偉 [50]關(guān)于支撐節(jié)點板對鉸接支撐框架結(jié)構(gòu)的影響進行有限元分析。他指出：節(jié)點 板的尺寸對節(jié)點的轉(zhuǎn)動剛度有較大的影響，隨著節(jié)點板尺寸和厚度的逐漸增大，節(jié)點的轉(zhuǎn)動剛度逐漸增加；當(dāng)對于不對稱的節(jié)點板時，增大節(jié)點板與梁連接邊的長度對節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度的影響更大。 2020 年陳以一等人 [51]針對廣州新電視塔的新型空間柱 梁 撐節(jié)點進行抗震性能試驗研究。他們將此節(jié)點分為三部分，分別對每個部分進行滯回性能和極限承載力進行分析，并對節(jié)點整體性能綜合評價。結(jié)果表明，此不交匯、非共面的支撐與梁柱節(jié)點具有良好的耗能能力，并且外觀簡潔，施工方便。 本文的研究內(nèi)容及方法 雖然，國內(nèi)外對支撐節(jié)點、支撐及中心 支撐鋼框架結(jié)構(gòu)取得了很多研究成果，但是，中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)，中心支撐是主要的抗側(cè)力構(gòu)件，承受大部分水平荷載，其中一部分荷載通過支撐連接件傳遞到框架梁和框架柱上。相應(yīng)的規(guī)范和圖集等資料并沒有給出關(guān)于支撐與梁柱相交節(jié)點域的計算方法，工程設(shè)計人員主要憑借經(jīng)驗對支撐連接節(jié)點進行設(shè)計。為了便于施工安裝，支撐與梁相交節(jié)點域的厚度往往設(shè)計成與中間梁段腹板的厚度相同，并沒有對此節(jié)點域進行的分析。雖然，曾針對某工程做過此節(jié)點域的有限元分析研究，但是，沒有進行深入分析和擴充。本文依次對此節(jié)點的連接件和支撐與梁相交節(jié)點域分別進行 研究分析，并提出一些構(gòu)造要求建議，為設(shè)計提供參考。 基于實際鋼結(jié)構(gòu) （中心支撐結(jié)構(gòu)鋼框架） 工程中的支撐與梁柱節(jié)點模型，利用ANSYS 軟件對支撐節(jié)點連接件建立有限元模型，分析 支撐桿端圓弧半徑、支撐與柱的夾角、支撐端長比、支撐桿端擴散角對支撐連接件傳力的影響 ，對支撐連接件中各板 12 件分擔(dān)的支撐軸力建立計算方法，并提出相應(yīng)的設(shè)計構(gòu)造建議。 基于實際鋼結(jié)構(gòu) （中心支撐結(jié)構(gòu)鋼框架） 工程中的支撐與梁柱節(jié)點模型，利用ANSYS 軟件對整個節(jié)點建立有限元模型，對比分析 支撐軸力、梁端剪力、梁端彎矩、支撐與柱夾角、支撐桿端擴散角等參數(shù)對 支撐與梁相交節(jié)點域剪應(yīng)力的影響， 建立此節(jié)點域剪應(yīng)力的計算方法，并提出相應(yīng)的設(shè)計構(gòu)造建議。 結(jié)合相關(guān)的理論基礎(chǔ)和以上兩點的有限元分析，綜合考慮分析參數(shù)的影響，關(guān)于支托式連接支撐節(jié)點的設(shè)計，提出相應(yīng)的計算方法及設(shè)計建議，為相關(guān)的規(guī)范和圖集提供參考依據(jù)。 本課題研究方法： 采用理論分析與有限元模擬分析相結(jié)合的研究方法。首先 根據(jù)課題的研究內(nèi)容查閱相關(guān)資料， 了解節(jié)點的設(shè)計原則及要求和支撐節(jié)點的設(shè)計要求及內(nèi)力計算方法，掌握相關(guān)的理論知識，學(xué)習(xí) ANSYS 有限元分析軟件，為課題的研究分析做鋪墊。然后基于實際的鋼結(jié)構(gòu)（中心支 撐鋼框架結(jié)構(gòu)）工程的支撐節(jié)點，利用 ANSYS 有限元分析軟件，對典型的支托式連接支撐節(jié)點建立模型，通過分析各參數(shù)對支撐節(jié)點連接件的傳力規(guī)律和支撐與梁相交節(jié)點域剪應(yīng)力的影響，提出相應(yīng)的設(shè)計要求及設(shè)計方法，為此類支撐與框架連接節(jié)點的設(shè)計提供參考依據(jù)。 13 14 第二章 支撐節(jié)點的基本理論及有限元分析介紹 節(jié)點設(shè)計及構(gòu)造 多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)中鋼構(gòu)件首先在鋼結(jié)構(gòu)廠房加工制作，然后運送到施工現(xiàn)場進行連接組裝在一起，才能成為完整的結(jié)構(gòu)體系。鋼構(gòu)件之間的連接節(jié)點一直是工程設(shè)計和施工中的重點，連接節(jié)點是鋼結(jié)構(gòu)的重要部位， 影響到整體結(jié)構(gòu)的受力及安全。據(jù)統(tǒng)計世界震害情況表明，鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點的破壞是導(dǎo)致許多建筑物破壞的主要原因。鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點的受力情況一般都比較復(fù)雜，節(jié)點的設(shè)計構(gòu)造要求相對比較嚴(yán)格，除了進行相應(yīng)的理論分析之外，有些高層鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點尚需進行試驗分析研究。因此，鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點的設(shè)計是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計工作的重要內(nèi)容，必須予以足夠的重視。目前，我國制定的“高層建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程”，為節(jié)點的構(gòu)造和設(shè)計提供了依據(jù) [52]。 節(jié)點設(shè)計基本原則 節(jié)點的設(shè)計是整個工程設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)，節(jié)點設(shè)計一般應(yīng)遵循以下原則 [53]： （ 1） 傳力應(yīng)明 確、簡捷、可靠，使節(jié)點計算分析與實際受力情況相一致； 節(jié)點的傳力路徑應(yīng)明確、簡捷，根據(jù)節(jié)點的實際受力狀況和構(gòu)造要求，把節(jié)點簡化為合理的、簡單的計算簡圖，以便于分析節(jié)點的安全度及設(shè)計。此外，節(jié)點應(yīng)傳力均勻，最大限量的減小應(yīng)力集中造成的不利影響。 （ 2） 保證節(jié)點連接有足夠的強度和剛度； 節(jié)點的強度不夠?qū)е鹿?jié)點破壞，節(jié)點的剛度不足將產(chǎn)生較大的變形，進而導(dǎo)致節(jié)點破壞。節(jié)點的破壞都會導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)的破壞。因此，節(jié)點連接應(yīng)具有足夠的強度和剛度，以避免發(fā)生破壞。 （ 3） 采用合理的細部構(gòu)造； 在地震作用下，節(jié)點的細部構(gòu)造使節(jié)點具有良好的 耗能能力，保證節(jié)點連接的延性，避免節(jié)點發(fā)生脆性破壞而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)的破壞。若節(jié)點發(fā)生局部壓曲或脆性破壞，則無法體現(xiàn)鋼材的延性優(yōu)點。 （ 4） 構(gòu)造應(yīng)簡單、經(jīng)濟、便于加工和安裝； 節(jié)點構(gòu)造應(yīng)盡量簡單，加工方便，以及安裝時容易就位和調(diào)整，以保證質(zhì)量、提高施工效率。節(jié)點的構(gòu)造設(shè)計要綜合考慮對加工制作和施工安裝的方便性，盡量減少節(jié)點的類型，便于標(biāo)準(zhǔn)化制作。 （ 5） 構(gòu)件之間的拼接一般應(yīng)按等強度原則，即拼接件和連接強度應(yīng)能傳遞斷開截面的最大承載力。 節(jié)點的抗震設(shè)計 節(jié)點非抗震設(shè)計時，不考慮地震作用，結(jié)構(gòu)承受的風(fēng)荷載起控制作用， 連接節(jié)點 15 處于彈性受力狀態(tài)，應(yīng)按結(jié)構(gòu)處于彈性受力階段設(shè)計。根據(jù)建筑抗震設(shè)計等規(guī)范的要求，需要抗震設(shè)防的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)承受的風(fēng)荷載起控制作用時，按風(fēng)荷載工況計算分析，同時應(yīng)滿足抗震構(gòu)造要求的相關(guān)規(guī)定，如果是結(jié)構(gòu)承受的地震荷載起控制作用，應(yīng)按建筑抗震設(shè)計規(guī)范的相關(guān)要求設(shè)計。節(jié)點在抗震設(shè)計結(jié)構(gòu)中，應(yīng)滿足“強連接弱桿件”的要求，即是節(jié)點連接的承載力要高于構(gòu)件自身的承載力。在大震作用下，允許結(jié)構(gòu)部分進入塑性狀態(tài)，使節(jié)點具有良好的延性。節(jié)點抗震設(shè)計的目的，在于保證構(gòu)件產(chǎn)生充分的塑性變形時，節(jié)點不致破壞 [54]。 （ 1） 高層建筑鋼結(jié) 構(gòu)的節(jié)點連接，當(dāng)非抗震設(shè)防時，應(yīng)按結(jié)構(gòu)處于彈性受力階段設(shè)計；當(dāng)抗震設(shè)防時，應(yīng)按結(jié)構(gòu)進入彈塑性階段設(shè)計，節(jié)點連接的承載力應(yīng)高于構(gòu)件截面的承載力。下式以梁拼接為例： ? （ ） ? ?LM u ? （ ） 上式中： ；承擔(dān)的最大受彎承 載 擔(dān))焊 接或螺栓(僅 由翼 緣緣連 接M u — ；梁的全塑性受彎承 載 的M p — 載力。栓）承擔(dān)的最大受剪承由腹板連接（焊接或螺—uV 梁的凈跨?！狶 （ 2） 要求抗震設(shè)防的結(jié) 構(gòu)，當(dāng)風(fēng)荷載起控制作用時，仍應(yīng)滿足抗震設(shè)防的構(gòu)造要求。 （ 3） 抗震設(shè)防的高層建筑鋼結(jié)構(gòu)框架，從梁端或柱端算起的 1/10 跨長或兩倍截面高度范圍內(nèi)，節(jié)點設(shè)計應(yīng)首先驗算節(jié)點連接的最大承載力；然后驗算構(gòu)件塑性區(qū)的板件寬厚比；最后驗算受彎構(gòu)件塑性區(qū)側(cè)向支承點間的距離。 中心支撐節(jié)點的設(shè)計 中心支撐與框架連接節(jié)點的特點是節(jié)點處各桿件的軸心線都匯交于一點。支撐與框架的連接包括支撐與梁柱的節(jié)點連接，支撐與梁的節(jié)點連接，支撐與支撐的節(jié)點連接。 中心支撐連接節(jié)點滿足下列原則設(shè)計 [55]： （ 1） 抗震設(shè)計要求“強連接弱桿件”，支撐 節(jié)點的連接及支撐拼接的極限承載力，應(yīng)滿足下式 的要求。 yn ? （ ） 上式中： 載力；支撐軸線方向的極限承螺栓連接或焊縫連接在—ubrN 支撐鋼材的屈服強度；—yf 支撐的凈截面面積?！猲A 16 中心支撐的重心線應(yīng)通過梁與柱的軸線的交點，當(dāng)受構(gòu)造條件的限制有不大于支撐桿件寬度的偏心是，節(jié)點設(shè)計應(yīng)計入偏心造成附加彎矩的影響。 （ 2） 在多層鋼結(jié)構(gòu)中，中心支撐與梁柱節(jié)點采用節(jié)點板連接時，節(jié)點板的有效寬度應(yīng)符號連接件每側(cè)有不小于 30176。夾角的規(guī)定，沿 支撐桿件軸線方向，節(jié)點板嵌固點到支撐桿端部的距離不應(yīng)小于 2 倍節(jié)點板厚度，在大震作用下，節(jié)點板發(fā)生平面外屈曲，避免支撐的破壞，如圖 所示。 hbhchbm2t 圖 中心支撐節(jié)點 Fig Concentrical brace joint （ 3） 超過 12 層的高層鋼結(jié)構(gòu)，當(dāng)支撐桿件采用軋制 H 型鋼時，支撐兩端與框架連接宜采用剛接。支撐翼緣與框架梁柱的連接采用全熔透坡口焊縫連接，支撐端部截面宜放大或做成圓弧，應(yīng)分別在支撐翼緣對應(yīng)的梁柱構(gòu)件上設(shè)置加勁肋，以承受支撐軸 向力對梁和柱的豎向和水平分力，如圖 所示。 hbhchbm hbhchbm （ a） 支撐強軸在平面內(nèi) （ b） 支撐弱軸在平面內(nèi) 圖 中心支撐節(jié)點 Fig Concentrical brace joint 17 抗震設(shè)計時，常將 H 型鋼支撐的強軸放在框架平面內(nèi)方向（圖 ），使支撐端部節(jié)點的構(gòu)造更為剛強，其平面外的計算長度可取軸線長度的 倍。當(dāng) 支撐弱軸位于框架平面內(nèi)方向時（圖 ），其平面外計算長度可取軸線長度的 倍。 （ 4） 人字形或 V 形支撐在大震下受壓屈曲后，其承載力下降，導(dǎo)致橫梁在支撐連接處出現(xiàn)不平衡集中力，可能會引起橫梁破壞，應(yīng)在橫梁與支撐相交處設(shè)置側(cè)向支撐。該支承點與梁端支承點的側(cè)向長細比以及支承力應(yīng)符合關(guān)于塑性設(shè)計的規(guī)定。 中心支撐節(jié)點的連接形式 中心支撐根據(jù)支撐斜桿形式不同，分為十字交叉支撐、單斜桿支撐、人字形支撐、K 形支撐、 V 形支撐等多種支撐形式。對于 不同的支撐布置形式， 支撐與框架的連接節(jié)點主要包括支撐與梁柱的連接節(jié)點、 支撐與梁的連接節(jié)點、支撐與支撐的連接節(jié)點。根據(jù)建筑抗震設(shè)計規(guī)范的要求，對于不超過 12 層的鋼結(jié)構(gòu)，支撐常采用角鋼或組合角鋼，支撐與框架的連接可以采用節(jié)點板式連接形式，連接形式構(gòu)造簡單，施工方便。超過 12 層的鋼結(jié)構(gòu)，支撐常采用 H 型鋼，支撐兩端應(yīng)構(gòu)造剛接。高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程給出了支托式連接支撐節(jié)點形式。 節(jié)點板式連接節(jié)點 在多層鋼結(jié)構(gòu)中，中心支撐常采用角鋼或組合角鋼等輕型鋼構(gòu)件，中心支撐與梁柱節(jié)點采用節(jié)點板連接 [56]時，節(jié)點板的有效寬度應(yīng)符號連接件每側(cè)有不小于 30176。夾角的規(guī)定，沿支撐桿件軸線方向， 支撐端部至節(jié)點板最近嵌固點的距離不應(yīng)小于 2 倍節(jié)點板厚度，以保證在大震下，節(jié)點板發(fā)生平面外屈曲，避免支撐的破壞，如圖 所示。 hbhchbm2t 圖 節(jié)點板式連接節(jié)點 Fig Tubegusset plate connecting joint 支撐節(jié)點板連接形式是國外提出的一種支撐連接形式，這種連接形式構(gòu)造簡單、施工安裝方便，細部構(gòu)造使這種連接形式有更好的耗能能力。當(dāng)大震作用時，節(jié)點板 18 發(fā)生平面外屈曲吸收地震能量，具有良好的延性，避免支撐破壞。支撐 節(jié)點板連接形式主要應(yīng)用于工業(yè)建筑和一些多層民用建筑。 支托式連接節(jié)點 在高層鋼結(jié)構(gòu)建筑中， 支撐 一般 采用Ｈ 型 鋼制作，構(gòu)造上兩端應(yīng)剛接 ， 帶支撐的梁柱節(jié)點通常采用柱外帶懸臂梁段的形式，使梁柱接頭與支撐節(jié)點錯開 ，支撐采用支撐連接件連接到梁柱節(jié)點上，支撐連接件 在與柱梁連接處，應(yīng) 分別 設(shè)置加勁肋 ，支撐與梁柱的這種連接形式稱為支托式連接 [57]如圖 所示。支撐軸線與梁柱的軸線交于一點，由于構(gòu)造條件限制產(chǎn)生偏心，當(dāng)偏心距離小于支撐桿件寬度時，可以忽略偏心產(chǎn)生的影響，如果偏心大于支撐桿件寬度時，節(jié)點設(shè)計應(yīng)計入偏心 產(chǎn)生的附加彎矩。 hbhchbm hbhchbm （ a） 支撐強軸在平面內(nèi) （ b） 支撐弱軸在平面內(nèi) 圖 支托式連接節(jié)點 Fig Bracket connecting joint