【文章內(nèi)容簡介】 計(jì)構(gòu)造建議。 結(jié)合相關(guān)的理論基礎(chǔ)和以上兩點(diǎn)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(diǎn)的設(shè)計(jì)，提出相應(yīng)的計(jì)算方法及設(shè)計(jì)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(diǎn)的設(shè)計(jì)原則及要求和支撐節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)要求及內(nèi)力計(jì)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(shí)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(diǎn)，利用ANSYS有限元分析軟件，對典型的支托式連接支撐節(jié)點(diǎn)建立模型，通過分析各參數(shù)對支撐節(jié)點(diǎn)連接件的傳力規(guī)律和支撐與梁相交節(jié)點(diǎn)域剪應(yīng)力的影響，提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)方法，為此類支撐與框架連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。24第二章 支撐節(jié)點(diǎn)的基本理論及有限元分析介紹多高層建筑鋼結(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(yùn)送到施工現(xiàn)場進(jìn)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(diǎn)一直是工程設(shè)計(jì)和施工中的重點(diǎn)，連接節(jié)點(diǎn)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(jì)世界震害情況表明，鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的受力情況一般都比較復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)構(gòu)造要求相對比較嚴(yán)格，除了進(jìn)行相應(yīng)的理論分析之外，有些高層鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)尚需進(jìn)行試驗(yàn)分析研究。因此，鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(diǎn)的構(gòu)造和設(shè)計(jì)提供了依據(jù)[52]。節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是整個(gè)工程設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)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(diǎn)計(jì)算分析與實(shí)際受力情況相一致；節(jié)點(diǎn)的傳力路徑應(yīng)明確、簡捷，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際受力狀況和構(gòu)造要求，把節(jié)點(diǎn)簡化為合理的、簡單的計(jì)算簡圖，以便于分析節(jié)點(diǎn)的安全度及設(shè)計(jì)。此外，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)連接有足夠的強(qiáng)度和剛度；節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度不夠?qū)е鹿?jié)點(diǎn)破壞，節(jié)點(diǎn)的剛度不足將產(chǎn)生較大的變形，進(jìn)而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)破壞。節(jié)點(diǎn)的破壞都會導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞。因此，節(jié)點(diǎn)連接應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以避免發(fā)生破壞。（3） 采用合理的細(xì)部構(gòu)造；在地震作用下，節(jié)點(diǎn)的細(xì)部構(gòu)造使節(jié)點(diǎn)具有良好的耗能能力，保證節(jié)點(diǎn)連接的延性，避免節(jié)點(diǎn)發(fā)生脆性破壞而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞。若節(jié)點(diǎn)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(diǎn)。（4） 構(gòu)造應(yīng)簡單、經(jīng)濟(jì)、便于加工和安裝；節(jié)點(diǎn)構(gòu)造應(yīng)盡量簡單，加工方便，以及安裝時(shí)容易就位和調(diào)整，以保證質(zhì)量、提高施工效率。節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造設(shè)計(jì)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(diǎn)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(qiáng)度原則，即拼接件和連接強(qiáng)度應(yīng)能傳遞斷開截面的最大承載力。節(jié)點(diǎn)非抗震設(shè)計(jì)時(shí)，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(diǎn)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(jì)。根據(jù)建筑抗震設(shè)計(jì)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(shí)，按風(fēng)荷載工況計(jì)算分析，同時(shí)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(jì)規(guī)范的相關(guān)要求設(shè)計(jì)。節(jié)點(diǎn)在抗震設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中，應(yīng)滿足“強(qiáng)連接弱桿件”的要求，即是節(jié)點(diǎn)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(jìn)入塑性狀態(tài)，使節(jié)點(diǎn)具有良好的延性。節(jié)點(diǎn)抗震設(shè)計(jì)的目的，在于保證構(gòu)件產(chǎn)生充分的塑性變形時(shí)，節(jié)點(diǎn)不致破壞[54]。（1） 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連接，當(dāng)非抗震設(shè)防時(shí)，應(yīng)按結(jié)構(gòu)處于彈性受力階段設(shè)計(jì)；當(dāng)抗震設(shè)防時(shí)，應(yīng)按結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段設(shè)計(jì)，節(jié)點(diǎn)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： （） （）上式中：（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(shí)，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(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)首先驗(yàn)算節(jié)點(diǎn)連接的最大承載力；然后驗(yàn)算構(gòu)件塑性區(qū)的板件寬厚比；最后驗(yàn)算受彎構(gòu)件塑性區(qū)側(cè)向支承點(diǎn)間的距離。中心支撐與框架連接節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)處各桿件的軸心線都匯交于一點(diǎn)。支撐與框架的連接包括支撐與梁柱的節(jié)點(diǎn)連接，支撐與梁的節(jié)點(diǎn)連接，支撐與支撐的節(jié)點(diǎn)連接。中心支撐連接節(jié)點(diǎn)滿足下列原則設(shè)計(jì)[55]： （1） 抗震設(shè)計(jì)要求“強(qiáng)連接弱桿件”，支撐節(jié)點(diǎn)的連接及支撐拼接的極限承載力，應(yīng)滿足下式的要求。 （）上式中：中心支撐的重心線應(yīng)通過梁與柱的軸線的交點(diǎn)，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(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)計(jì)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(diǎn)采用節(jié)點(diǎn)板連接時(shí)，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)板嵌固點(diǎn)到支撐桿端部的距離不應(yīng)小于2倍節(jié)點(diǎn)板厚度，在大震作用下，節(jié)點(diǎn)板發(fā)生平面外屈曲，避免支撐的破壞。 中心支撐節(jié)點(diǎn)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(shí)，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。 （a） 支撐強(qiáng)軸在平面內(nèi) （b） 支撐弱軸在平面內(nèi) 中心支撐節(jié)點(diǎn)Fig Concentrical brace joint抗震設(shè)計(jì)時(shí)，常將H型鋼支撐的強(qiáng)軸放在框架平面內(nèi)方向（），使支撐端部節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造更為剛強(qiáng)。當(dāng)支撐弱軸位于框架平面內(nèi)方向時(shí)（）。（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(diǎn)與梁端支承點(diǎn)的側(cè)向長細(xì)比以及支承力應(yīng)符合關(guān)于塑性設(shè)計(jì)的規(guī)定。 中心支撐節(jié)點(diǎn)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(diǎn)主要包括支撐與梁柱的連接節(jié)點(diǎn)、支撐與梁的連接節(jié)點(diǎn)、支撐與支撐的連接節(jié)點(diǎn)。根據(jù)建筑抗震設(shè)計(jì)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(diǎn)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(jì)技術(shù)規(guī)程給出了支托式連接支撐節(jié)點(diǎn)形式。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(diǎn)采用節(jié)點(diǎn)板連接[56]時(shí)，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)板最近嵌固點(diǎn)的距離不應(yīng)小于2倍節(jié)點(diǎn)板厚度，以保證在大震下，節(jié)點(diǎn)板發(fā)生平面外屈曲，避免支撐的破壞。 節(jié)點(diǎn)板式連接節(jié)點(diǎn)Fig Tubegusset plate connecting joint支撐節(jié)點(diǎn)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(xì)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(shí)，節(jié)點(diǎn)板發(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(diǎn)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。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(diǎn)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(diǎn)錯(cuò)開，支撐采用支撐連接件連接到梁柱節(jié)點(diǎn)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]。支撐軸線與梁柱的軸線交于一點(diǎn)，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(shí)，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(shí)，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)計(jì)入偏心產(chǎn)生的附加彎矩。 （a） 支撐強(qiáng)軸在平面內(nèi) （b） 支撐弱軸在平面內(nèi) 支托式連接節(jié)點(diǎn)Fig Bracket connecting joint 中心支撐節(jié)點(diǎn)的內(nèi)力計(jì)算方法節(jié)點(diǎn)板連接節(jié)點(diǎn)的計(jì)算，目前國內(nèi)常采用的計(jì)算方法有：有效寬度法[58]、均力法[59,60]、簡單正交分解法[60]、等代梁法[60]等。（1） 有效寬度法（）斜桿軸力N將通過連接件傳遞到節(jié)點(diǎn)板上，在節(jié)點(diǎn)板內(nèi)按照某一應(yīng)力擴(kuò)散角度傳至連接件端部與斜桿軸力N相垂直的一定寬度范圍內(nèi)，則該一定寬度即稱為有效寬度be。 有效寬度概念Fig the concept of effective width （）上式中：—支撐的軸心力設(shè)計(jì)值；—板件的有效寬度，應(yīng)力擴(kuò)散角取30176。，當(dāng)采用單肢角鋼與節(jié)點(diǎn)板用螺栓連接時(shí)，應(yīng)取凈寬度；—節(jié)點(diǎn)板的厚度。（2） 均力法（）基本假設(shè)：1)支撐的重心線與梁柱重心線三者匯交于一點(diǎn)。2)節(jié)點(diǎn)板與梁柱的連接處沒有彎矩存在，保證各連接面處無彎矩的約束存在。3)節(jié)點(diǎn)板與梁柱的連接處被設(shè)計(jì)成僅承受剪力和軸力。 （） ，， （） （）上式中： 均力法Fig Uniform force method（3） 簡化的正交分解法（）假定忽略節(jié)點(diǎn)板連接處偏心產(chǎn)生的附加彎矩，忽略支撐軸力對梁的豎向分力和對柱的水平分力。 （） （）上式中： 簡單正交分解法Fig Proper orthogonal deposition method（4）等代梁法（）由于節(jié)點(diǎn)板缺少△部分，可以假設(shè)節(jié)點(diǎn)板為一根梁，兩端分別連接在梁和柱上，由于節(jié)點(diǎn)板和梁柱的連接一般為焊接或高強(qiáng)度螺栓連接，可以考慮其連接承受附加彎矩的作用。因此，假設(shè)梁端為嵌固，支撐內(nèi)力作為該梁的跨中荷載，可以計(jì)算出節(jié)點(diǎn)板與梁、柱連接處的內(nèi)力。 等代梁法Fig Displacement beam method根據(jù)實(shí)例進(jìn)行計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，采用常用的簡化計(jì)算方法所得的計(jì)算結(jié)果往往偏大，雖然在一定的程度上，這種計(jì)算方法是偏于安全，但是，造成一定的浪費(fèi)，不太符合節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的基本原則。當(dāng)支撐內(nèi)力較大時(shí)，采用均力法計(jì)算更接近實(shí)際情況，這種計(jì)算方法更經(jīng)濟(jì)合理。由于支撐節(jié)點(diǎn)板與梁柱連接處的受力比較復(fù)雜，很難確定一種完全精確的計(jì)算方法，可通過大量的數(shù)值分析及試驗(yàn)分析，但是，這樣又比較浪費(fèi)，這幾種計(jì)算方法都是近似計(jì)算方法。目前國內(nèi)采用的設(shè)計(jì)構(gòu)造要求：在抗震設(shè)防的結(jié)構(gòu)中，超過12層時(shí)，支撐宜采用H型鋼制作，兩端與其框架可采用剛接構(gòu)造，梁柱與支撐連接處應(yīng)設(shè)置加勁肋，9度采用焊接工字形截面時(shí)，其翼緣與腹板的連接宜采用全熔透連接焊縫，支撐與框架連接處，在支撐桿端宜坐車圓弧，圓弧半徑不得小于200mm[61]。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，常采用簡化計(jì)算的方法[60]，支撐軸線與梁柱的軸線匯交于一點(diǎn)，忽略偏心產(chǎn)生的附加彎矩對此節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的影響，在支撐連接件與梁柱連接處，簡化計(jì)算將支撐內(nèi)力分解為水平分力和豎向分力，分別作用于梁柱上。 簡單正交分解法Fig Proper orthogonal deposition method 有限元分析介紹隨著科技的高速發(fā)展，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，通過計(jì)算機(jī)對需要設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)時(shí)或隨后的分析稱為計(jì)算機(jī)輔助工程即CAE（Computer Aided Engineering）。該技術(shù)與工程分析相結(jié)合形成的新技術(shù)，隨著有限元理論的應(yīng)用和計(jì)算機(jī)的發(fā)展，工程師利用該技術(shù)和軟件對實(shí)際工程進(jìn)行分析，得到良好的效果。隨著CAE技術(shù)的發(fā)展和大型通用有限元分析軟件的興起，使得該技術(shù)廣泛應(yīng)用于許多實(shí)際工程。ANSYS是由美國著名理學(xué)專家、美國Jone Swanson博士團(tuán)隊(duì)于二十世紀(jì)70年代開發(fā)的大型通用有限元分析軟件，廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)、流體、聲場、電磁場和熱場分析和科學(xué)研究[62]。由于試驗(yàn)數(shù)量有限和費(fèi)用昂貴，通過ANSYS軟件與有限元法及數(shù)值分析法結(jié)合進(jìn)行分析得到結(jié)果與實(shí)際結(jié)果比較接近，因此，用這種方法不僅降低了成本，而且縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間。ANSYS軟件具有強(qiáng)大的建模、求解、非線性分析和后處理等能力，功能十分強(qiáng)大，使用方便，能較好地對結(jié)構(gòu)試驗(yàn)進(jìn)行仿真分析，既經(jīng)濟(jì)又節(jié)省時(shí)間。材料的塑性理論描述材料彈塑性發(fā)展階段的數(shù)學(xué)關(guān)系，其中三個(gè)重要法則[63]如下：1．屈服準(zhǔn)則屈服準(zhǔn)則是在外荷載作用下，材料開始屈服時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)。Von Mises屈服準(zhǔn)則是Von Mises提出的一種等效應(yīng)力，考慮了中間主應(yīng)力對屈服強(qiáng)度的影響，用于各項(xiàng)同性材料。當(dāng)?shù)刃?yīng)力超過材料的屈服應(yīng)力時(shí)，材料發(fā)生塑性變形，是一種判斷材料塑性發(fā)展的準(zhǔn)則。對于鋼材而言，采用Von Mises屈服準(zhǔn)則更接近實(shí)際結(jié)果。 （）上式中：；或式中本文采用Von Mises屈服準(zhǔn)則進(jìn)行有限元分析。2．流動法則對于已經(jīng)屈服的單元再進(jìn)一步加載，流動法則定義塑性應(yīng)變增量的分量和應(yīng)力分量以及應(yīng)力分量之間的關(guān)系。流動法則包括關(guān)聯(lián)型流動法則和非關(guān)聯(lián)型流動法則，流動方程是塑性應(yīng)變在垂直于屈服面方向發(fā)展的屈服準(zhǔn)則中推導(dǎo)出的，當(dāng)塑性流動方向與屈服面的外法線方向相同時(shí)稱為關(guān)聯(lián)型流動準(zhǔn)則，反之當(dāng)塑性流動方向與屈服面外法線方向不同時(shí)則為非關(guān)聯(lián)型流動準(zhǔn)則。本文采用關(guān)聯(lián)型流動法則進(jìn)行有限元分析。3．強(qiáng)化法則在單向應(yīng)力狀態(tài)下，鋼材的應(yīng)力應(yīng)變曲線包括彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段和破壞階段等，在強(qiáng)化階段卸載后再次加載，鋼材的屈服應(yīng)力會提高。在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，就需要強(qiáng)化準(zhǔn)則定義材料進(jìn)入塑性變形后的后繼屈服面的變化（包括大小、中心和形狀），即在隨后的加載或卸載時(shí)，材料何時(shí)再次進(jìn)入屈服狀態(tài)。對于理想的彈塑性材料，因無應(yīng)力強(qiáng)化效應(yīng)，其后繼屈服面和初始屈服面相同。對于硬化材料，通常有等向強(qiáng)化、隨動強(qiáng)化和混合強(qiáng)化準(zhǔn)則。等向強(qiáng)化適用于大應(yīng)變、單調(diào)加載情況，不適用于循環(huán)加載的情況，分為雙線性等向強(qiáng)化、多線性等向強(qiáng)化及非線性等向強(qiáng)化；隨動強(qiáng)化適用于小應(yīng)變、循環(huán)加載的情況，同樣分為雙線性隨動強(qiáng)化、多線性隨動強(qiáng)化及非線性隨動強(qiáng)化；混合強(qiáng)化同時(shí)考慮了等向強(qiáng)化和隨動強(qiáng)化，適用于大應(yīng)變和循環(huán)加載的情況。本文采用雙線性等向強(qiáng)化法則進(jìn)行有限元分析。ANSYS進(jìn)行非線性分析提供如下幾種求解方法[64]：（1）增量法是將載荷分成一系列的載荷增量，（a）所示。依靠純粹的增量進(jìn)行近似求解，將會隨著每一次的增量，造成誤差