【導(dǎo)讀】中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)是一種經(jīng)濟(jì)有效的雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，在高層建筑鋼結(jié)構(gòu)工程。節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)原則要求節(jié)點(diǎn)連接應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，支撐節(jié)點(diǎn)的設(shè)。計(jì)是整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。結(jié)構(gòu)的抗震性能有較大影響。梁柱在與支撐連接件翼緣的連接處，應(yīng)分別設(shè)置加勁肋或隔板，支撐與。帶有懸臂梁段的梁柱節(jié)點(diǎn)連接的這種連接形式稱為支托式連接形式。整體性較好，約束能力較強(qiáng)，應(yīng)用比較廣泛。撐連接件傳遞到梁和柱上。為了便于支撐的連接，保證連接質(zhì)量，一般增大連接件腹。連接件腹板高度的增大對節(jié)點(diǎn)及支撐內(nèi)力傳遞的影響，采用的計(jì)算方法和。構(gòu)造要求使連接件更均勻合理地傳遞支撐軸力是非常具有實(shí)際意義和研究價(jià)值。借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，缺乏理論依據(jù)。通過分析支撐桿端圓弧半徑、支撐與。ANSYS軟件對節(jié)點(diǎn)建立有限元模型。集提供參考依據(jù)。

　　

【正文】 SHELL181 element 材料特性 節(jié)點(diǎn)材料 為 Q345 號碳素結(jié)構(gòu)鋼，材料的力學(xué)性能指標(biāo) 如 表 所示 。 27 表 材料力學(xué)性能 Table Mechanical property of the material 牌號 厚度或直徑 （ mm） 強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 （ MPa） 強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 fy（ MPa） 抗拉、抗壓和抗彎 f 抗剪 fv 端面承壓 fc Q345 鋼 ≤16 310 180 400 345 ＞ 16~35 295 170 ＞ 35~50 265 155 ＞ 50~100 250 145 材料 的 本構(gòu) 關(guān)系 選用線 性強(qiáng)化 彈 塑性模型， 遵循 Mises 屈服準(zhǔn)則及相關(guān)流動法則，采用 雙線性 等向強(qiáng)化理論 ，泊松比為 ，彈性模量 E 為 179。 105MPa。鋼材的應(yīng)力－應(yīng) 變關(guān)系，如圖 所示 ， 并取 Et=。 EE tεσ0 ε yf yα 1α 2 圖 ε σ關(guān)系曲線 Fig ε σ curve 簡化力學(xué)模型 支撐的長度取斜長的一半；根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和手冊的要求，支撐兩端按鉸接計(jì)算，構(gòu)造上為剛接。為了便于分析連接件的傳力，忽略梁柱節(jié)點(diǎn)的變形對連接件傳力的影響，假定連接件腹板和翼緣在與梁柱連接處為固定端，支撐另一端為自由端；支撐的自由端施加軸向拉力，支撐受拉屈服承載力 N=A178。 f=12520mm2179。295N/mm2=。簡化力學(xué)模型如圖 所示。 αβ 圖 簡化力學(xué)模型 Fig Simplified mechanical model 28 邊界約束條件 支撐連接件與梁柱翼緣的連接處及支撐另一端，分別將各邊界位置設(shè)置為控制點(diǎn) 3，如表 所示。 2 點(diǎn)定義為固定端， 3 點(diǎn)僅控制平面外的約束，沿支撐斜桿軸心方向，在 3 點(diǎn)施加軸力。 表 邊界約束條件 Tab Boundary constraint 控制點(diǎn) Ux Uy Uz URx URy URz 1 約束 約束 約束 約束 約束 約束 2 約束 約束 約束 約束 約束 約束 3 釋放 釋放 約束 釋放 釋放 釋放 網(wǎng)格劃分 ANSYS 中單元網(wǎng)格劃分方法包括兩種，即是自由網(wǎng)格劃分和映射網(wǎng)格化分。對于面來說，采用自由網(wǎng)格劃分方法，可以劃分出全部為四邊形單元的網(wǎng)格或全部為三角形單元的網(wǎng)格或者二者的混合單元的網(wǎng)格；采用映射網(wǎng)格劃分方法，則只能劃分出全部用四邊形單元網(wǎng)格或全部用三角形單元的網(wǎng)格。在 ANSYS 分析中，網(wǎng)格劃分的越粗糙，程序計(jì)算的結(jié)果可能越不精確。網(wǎng)格劃分的越 密，模擬分析所得到的結(jié)果越精確，但是，計(jì)算機(jī)計(jì)算需要的時(shí)間和所需要的計(jì)算機(jī)資源也會增加。據(jù)有關(guān)資料表明，采用適當(dāng)?shù)母邔挶?、?guī)則的四邊形單元，計(jì)算求解過程更容易收斂，計(jì)算的結(jié)果更精確。由于連接件腹板的形狀不規(guī)則，為了獲得規(guī)則的四邊形單元，采用連接線命令實(shí)現(xiàn)映射網(wǎng)格劃分，劃分出規(guī)則的四邊形單元，并在連接件腹板和翼緣處細(xì)化網(wǎng)格，使計(jì)算更準(zhǔn)確、精度更高。劃分后的單元如圖 所示。 （ a）整體劃分網(wǎng)格 （ b）局部細(xì)化網(wǎng)格 圖 網(wǎng)格劃分 Fig Meshing 參數(shù)選取及模型尺寸 支撐與梁柱連接節(jié)點(diǎn)受力比較復(fù)雜，為了分析支撐連接件的受力狀態(tài)及內(nèi)力傳遞規(guī)律，主要考慮支撐與柱夾角、支撐桿的端長比、支撐桿端圓弧半徑、支撐桿端擴(kuò)散 29 角對支撐連接件傳力的影響。 參數(shù)取值： 支撐與柱夾角α取 30176?！?45176。，分別取 45176。（ G1）、 40176。 (G2)、 35176。 (G3)、 30176。(G4)； 支撐桿端圓弧半徑 r 取 200～ 350mm（支撐采用 H 型鋼時(shí)，支撐桿端宜做成圓弧，且圓弧半徑不得小于 200mm[66]）； 支撐桿端翼緣偏離支撐桿軸線的角度定義為擴(kuò)散角β（如圖 所示）。為使支 撐桿端傳力均勻，設(shè)置相同的擴(kuò)散角β，取 15176?！?45176。（當(dāng)兩焊腳邊夾角小于 60176。時(shí)，焊縫施焊條件差，根部將留有空隙和焊渣 [67]。因此，連接件翼緣與梁柱翼緣的夾角不宜小于 60176。，即θ 1≥ 60176。或θ 2≥ 60176。，θ 1=α +β，θ 2=90176。 （α β），β取較大值）； 在圖 中，定義支撐桿的端長比η =L1/(L1+L2)。為了便于施工操作，支撐桿端到梁柱翼緣外表面的距離不宜小于 200mm（如圖 所示， L1≥ 200mm 和 L2≥ 200mm），即 mmhhL brb 2 0 02s i n22c o s ?????? ??? 或 mmhhL brc 2 0 02c o s22s i n ?????? ???取較大值。當(dāng)支撐與柱軸線的夾角為 45176。時(shí)，η≥ 或η≥ ，端長比η宜取大于 。因此，支撐端長比η取 ～ 。 根據(jù)上面的參數(shù)變化，建立的模型如表 所示： 表 模型編號及參數(shù) Table Model number and parameter 組編號 端長比 圓弧半徑（ mm） 擴(kuò)散夾角 翼緣與柱夾角 翼緣與梁夾角 G1 0 200 250 300 350 20176。 65176。 65176。 176。 176。 176。 25176。 70176。 70176。 176。 176。 176。 30176。 75176。 75176。 176。 176。 176。 35176。 80176。 80176。 176。 176。 176。 40176。 85176。 85176。 0 200 250 300 350 20176。 65176。 65176。 176。 176。 176。 25176。 70176。 70176。 176。 176。 176。 30176。 75176。 75176。 176。 176。 176。 35176。 80176。 80176。 176。 176。 176。 30 40176。 85176。 85176。 續(xù)表 組編號 端長比 圓弧半徑（ mm） 擴(kuò)散夾角 翼緣與柱夾角 翼緣與梁夾角 G1 0 200 250 300 350 20176。 65176。 65176。 176。 176。 176。 25176。 70176。 70176。 176。 176。 176。 30176。 75176。 75176。 176。 176。 176。 35176。 80176。 80176。 176。 176。 176。 40176。 85176。 85176。 G2 0 200 250 300 350 20176。 60176。 70176。 176。 176。 176。 25176。 65176。 75176。 176。 176。 176。 30176。 70176。 80176。 176。 176。 176。 35176。 75176。 85176。 176。 176。 176。 40176。 80176。 90176。 0 200 250 300 350 20176。 60176。 70176。 176。 176。 176。 25176。 65176。 75176。 176。 176。 176。 30176。 70176。 80176。 176。 176。 176。 35176。 75176。 85176。 176。 176。 176。 31 40176。 80176。 90176。 續(xù)表 組編號 端長比 圓弧半徑（ mm） 擴(kuò)散夾角 翼緣與柱夾角 翼緣與梁夾角 G2 0 200 250 300 350 20176。 60176。 70176。 176。 176。 176。 25176。 65176。 75176。 176。 176。 176。 30176。 70176。 80176。 176。 176。 176。 35176。 75176。 85176。 176。 176。 176。 40176。 80176。 90176。 G3 0 200 250 300 350 25176。 60176。 80176。 176。 176。 176。 30176。 65176。 85176。 176。 176。 176。 35176。 70176。 90176。 0 200 250 300 350 25176。 60176。 80176。 176。 176。 176。 30176。 65176。 85176。 176。 176。 176。 35176。 70176。 90176。 0 200 250 300 350 25176。 60176。 80176。 176。 176。 176。 30176。 65176。 85176。 176。 176。 176。 35176。 70176。 90176。 32 G4 0 200 30176。 60176。 90176。 注：分組名 G 后的數(shù)字為支撐與柱的夾角， 1～ 4 分別為 45176。、 40176。、 35176。、 30176。，連接件上翼緣與柱翼緣的夾角為α +β，下翼緣與梁翼緣的夾角為 90176。 （α β）。 各參數(shù)對支撐節(jié)點(diǎn)連接件傳力的影響 沿支撐節(jié)點(diǎn)連接件腹板高度增大方向，每隔相同的距離 L 分別截取與支撐軸線相垂直的不同截面，由圖 的受力分解可得： tfXtfwbfbr 圖 受力分解 Fig Resolution of force tffX FF ?? ?sint （ ） tftfY FF ?? ?c o s （ ） bfbfX FF ?? ?s in （ ） bfbfY FF ?? ?c os （ ） brtfY FF?1? （ ） brw FF?2? （ ） brbfY FF?3? （ ） 根據(jù)有限元分析的結(jié)果，分別提取上下翼緣和腹部的分力 FtfY、 FbfY、 FW，通過式~ 求出 μ μ μ 2，分析支撐桿端擴(kuò)散角 、端長比、支撐桿端圓弧半徑、支撐與柱夾角參數(shù)對支撐節(jié)點(diǎn)連接件傳力的影響。 擴(kuò)散角對連接件傳力的影響 對于 G1 組，當(dāng)端長比η為 ，圓弧半徑 r 為 250mm 時(shí)，在支撐自由端施加受拉屈服荷載，取 倍支撐受拉屈服荷載時(shí)的受力情況，此時(shí)節(jié)點(diǎn)屬于彈性階段，通 33 過改變支撐桿端擴(kuò)散角β的大小，分析擴(kuò)散角對支撐連接件上下翼緣和腹板傳力的影響。由圖 可以看出，擴(kuò)散角β相同時(shí)，沿腹板高度增大的方向，上下翼緣和腹板分擔(dān)的支撐軸力幾乎不變。由圖 和圖 可以看出，在同一截面時(shí)，隨著擴(kuò)散角β的增大，上 下翼緣分擔(dān)的支撐軸力逐漸減小，由圖 可以看出，隨著擴(kuò)散角β的增大，腹板分擔(dān)的支撐軸力逐漸增大。當(dāng)改變支撐與柱夾角、圓弧半徑等其它參數(shù)時(shí)，曲線變化趨勢基本相同。當(dāng)擴(kuò)散角超過 40176。時(shí)，連接件腹板分擔(dān)的支撐軸力較大，易造成腹板發(fā)生破壞，擴(kuò)散角對連接件傳力的影響較大。因此，建議支撐桿端部擴(kuò)散角不超過 30176。 20253035400 .2 00 .2 50 .3 00 .3 52468μ1Lβ （176。）20253035400 .30 .40 .50 .62468μ2Lβ（176。）20253035400 . 2 00 . 2 50 . 3 00 . 3 52468μ3Lβ（176。） a— 上翼緣 b— 腹板 c— 下翼緣 圖 Lβ μ關(guān)系曲線 Fig Lβ μ curve 根據(jù) ANSYS 有限元分析，沿連接件腹板高度增大的方向，在不同截面，提取連接件上翼緣的軸力，由受力分解的公式，求得上翼緣的分配系數(shù)，如表 所示。 表 不同的擴(kuò)散角對應(yīng)的上翼緣分配系數(shù) Tab Different spread angle corresponding to distribution coefficient of the top flange 截面編號 擴(kuò)散角 20176。 176。 25176。 176。 30176。 176。 35176。 176。 40176。 11 22 33 44 55 66 77 88 34 99