4m跨度鋼結(jié)構(gòu)組合樓蓋典型節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)及有限元分析
摘 要：通過(guò)對(duì)一種新型的超規(guī)范大跨度鋼桁架混凝土組合樓蓋的典型復(fù)雜節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和有限元分析，在規(guī)范推薦的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造基礎(chǔ)上提出了一種新型的用于大跨度組合樓蓋的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式，有限元分析結(jié)果表明：此種節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式具有良好的受力性能和足夠的安全度。
關(guān)鍵詞：組合樓蓋；典型節(jié)點(diǎn)；有限元分析
隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加速，大跨度鋼結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)層出不窮，而節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)一直是大跨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是否得當(dāng)對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性、抗震性和整體性有著直接的影響，因此選擇合理的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式使節(jié)點(diǎn)具有足夠的極限承載力和安全度就顯得格外重要。傳統(tǒng)的鋼管結(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)的形式主要有鋼管相貫節(jié)點(diǎn)、焊接空心球節(jié)點(diǎn)和螺栓球節(jié)點(diǎn)，其構(gòu)造形式及理論分析都比較成熟，而對(duì)于由H型鋼構(gòu)成的大跨度鋼桁架一混凝土組合樓蓋，采用何種節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式才能使節(jié)點(diǎn)在有足夠安全度的情況下達(dá)到用鋼量省和施工方便是亟待解決和需要深入研究的問(wèn)題。
l 工程概況
南通市體育會(huì)展中心為江蘇省第16屆省運(yùn)會(huì)的主要競(jìng)技場(chǎng)館，該體育館二樓網(wǎng)球練習(xí)場(chǎng)為一45 m×54 m的大跨度樓蓋，整個(gè)樓蓋內(nèi)部無(wú)豎向支承，樓面結(jié)構(gòu)通過(guò)滑動(dòng)鉸支座支承于混凝土框架梁上。由于該樓蓋結(jié)構(gòu)跨度達(dá)到45 m(已超出規(guī)范小于40 m的規(guī)定130)、結(jié)構(gòu)高度小(要求小于1．7 m)、使用荷載高(約為10 kN／m。)。顯然通常意義的樓蓋無(wú)法滿(mǎn)足上述這種大荷載、大跨度、小結(jié)構(gòu)高度的苛刻要求。本工程在經(jīng)過(guò)多種結(jié)構(gòu)方案的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比論證的基礎(chǔ)上最終選用了新穎的雙向正交鋼桁架一混凝土組合結(jié)構(gòu)體系(圖1)，桁架上下弦桿及斜腹桿都采用易于焊接連接的H型鋼，豎腹桿采用無(wú)縫鋼管，桁架上鋪厚100 mm鋼筋混凝土樓面板，結(jié)構(gòu)高度為1．67 m，跨高比達(dá)27?；炷翗巧w與上弦桿采用栓釘連接(圖2)，桁架的節(jié)點(diǎn)全部為剛接。
對(duì)于這種新型的大跨度雙向正交鋼桁架一混凝土結(jié)構(gòu)體系的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)沒(méi)有同類(lèi)工程可以參考，且由于節(jié)點(diǎn)處的匯交桿件多、節(jié)點(diǎn)受力大，普通的鋼板節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，故需尋求合理的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式在滿(mǎn)足安全、經(jīng)濟(jì)、且方便施工的基礎(chǔ)上有足夠的安全度以滿(mǎn)足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)要求。限于篇幅本文選取了樓蓋中部主桁架中桿件受力最大、匯交桿件最多(達(dá)9根)的下弦端部節(jié)點(diǎn)為典型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，其他部位的節(jié)點(diǎn)采取了類(lèi)似的構(gòu)造措施。
GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)于梁、柱和支撐相連的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造推薦了在支撐端部設(shè)置擴(kuò)大的節(jié)點(diǎn)板與支撐相連的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造方式即節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式1(圖3)，其主次桁架的節(jié)點(diǎn)板與斜腹桿的腹板等厚，設(shè)置在下弦的加勁肋與斜腹桿的翼緣等厚，主桁架的下弦桿在節(jié)點(diǎn)處貫通，次桁架及腹桿與主桁架和節(jié)點(diǎn)的連接都采用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)等強(qiáng)連接。圖3中標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)的對(duì)接部位采用全熔透坡口焊并保證焊接連接的承載能力不低于母材。加勁肋采用角焊縫與主桁架的下弦相連。此種節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式美觀、輕巧，但節(jié)點(diǎn)部位弧形節(jié)點(diǎn)板和蓋板加工比較麻煩且節(jié)點(diǎn)顯得相對(duì)柔弱。
分析結(jié)果表明：在設(shè)計(jì)荷載作用下該節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式存在較強(qiáng)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，盡管通過(guò)增加節(jié)點(diǎn)板板厚，其受力性能有所改善，但其安全度和剛度仍不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
鑒于此大跨度樓蓋的跨度、荷載都比較大且組合網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)高度僅為1．67 m，在用鋼量比較經(jīng)濟(jì)的情況下桿件的設(shè)計(jì)內(nèi)力很大；為了保證節(jié)點(diǎn)有足夠的安全度，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)本工程在對(duì)節(jié)點(diǎn)形式1進(jìn)行有限元分析的基礎(chǔ)上曾提出了多種節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式進(jìn)行試算和調(diào)整，并最終在滿(mǎn)足安全的前提下考慮施工便利而取用了如圖4所示的馬鞍型節(jié)點(diǎn)，即節(jié)點(diǎn)形式2。此節(jié)點(diǎn)形式通過(guò)在節(jié)點(diǎn)板部位設(shè)連續(xù)的馬鞍型蓋板使斜腹桿與蓋板垂直相交并用全熔透坡口焊連接，從而使施工更加方便且易于保證質(zhì)量。
針對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)域剛度不足的缺點(diǎn)在主桁架斜腹桿的翼緣部位設(shè)置了與翼緣等厚的加勁肋，次桁架斜腹桿按構(gòu)造設(shè)置一道加勁肋，主桁架及次桁架的桿件連接仍采用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行拼接。
3典形節(jié)點(diǎn)的有限元分析
DG／TJ 08—52—2004《空間格構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》規(guī)定空間格構(gòu)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜節(jié)點(diǎn)及細(xì)部構(gòu)造應(yīng)采用實(shí)體有限單元法進(jìn)行線(xiàn)性、非線(xiàn)性分析。為此，本工程在設(shè)計(jì)過(guò)程中運(yùn)用通用有限元分析軟件AN—SYS，選用10結(jié)點(diǎn)四面體三維實(shí)體單元Solid 92對(duì)設(shè)計(jì)采用的典型節(jié)點(diǎn)即節(jié)點(diǎn)形式2進(jìn)行了詳細(xì)的線(xiàn)性及非線(xiàn)性有限元分析
