4m跨度鋼結構組合樓蓋典型節點的設計及有限元分析
摘 要：通過對一種新型的超規范大跨度鋼桁架混凝土組合樓蓋的典型復雜節點進行設計和有限元分析，在規范推薦的節點構造基礎上提出了一種新型的用于大跨度組合樓蓋的節點構造形式，有限元分析結果表明：此種節點構造形式具有良好的受力性能和足夠的安全度。
關鍵詞：組合樓蓋；典型節點；有限元分析
隨著我國城市化進程的加速，大跨度鋼結構和組合結構層出不窮，而節點設計一直是大跨結構設計中的重要環節，節點設計是否得當對整個結構的安全性、抗震性和整體性有著直接的影響，因此選擇合理的節點構造形式使節點具有足夠的極限承載力和安全度就顯得格外重要。傳統的鋼管結構中節點的形式主要有鋼管相貫節點、焊接空心球節點和螺栓球節點，其構造形式及理論分析都比較成熟，而對于由H型鋼構成的大跨度鋼桁架一混凝土組合樓蓋，采用何種節點構造形式才能使節點在有足夠安全度的情況下達到用鋼量省和施工方便是亟待解決和需要深入研究的問題。
l 工程概況
南通市體育會展中心為江蘇省第16屆省運會的主要競技場館，該體育館二樓網球練習場為一45 m×54 m的大跨度樓蓋，整個樓蓋內部無豎向支承，樓面結構通過滑動鉸支座支承于混凝土框架梁上。由于該樓蓋結構跨度達到45 m(已超出規范小于40 m的規定130)、結構高度小(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法滿足上述這種大荷載、大跨度、小結構高度的苛刻要求。本工程在經過多種結構方案的技術、經濟指標對比論證的基礎上最終選用了新穎的雙向正交鋼桁架一混凝土組合結構體系(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，豎腹桿采用無縫鋼管，桁架上鋪厚100 mm鋼筋混凝土樓面板，結構高度為1．67 m，跨高比達27?；炷翗巧w與上弦桿采用栓釘連接(圖2)，桁架的節點全部為剛接。
對于這種新型的大跨度雙向正交鋼桁架一混凝土結構體系的節點設計，國內沒有同類工程可以參考，且由于節點處的匯交桿件多、節點受力大，普通的鋼板節點遠遠不能滿足設計要求，故需尋求合理的節點構造形式在滿足安全、經濟、且方便施工的基礎上有足夠的安全度以滿足“強節點弱構件”的設計要求。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9根)的下弦端部節點為典型節點進行設計和分析，其他部位的節點采取了類似的構造措施。
GB 50017—2003《鋼結構設計規范》對于梁、柱和支撐相連的節點構造推薦了在支撐端部設置擴大的節點板與支撐相連的節點構造方式即節點構造形式1(圖3)，其主次桁架的節點板與斜腹桿的腹板等厚，設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點處貫通，次桁架及腹桿與主桁架和節點的連接都采用標準節點等強連接。圖3中標準節點的對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。此種節點構造形式美觀、輕巧，但節點部位弧形節點板和蓋板加工比較麻煩且節點顯得相對柔弱。
分析結果表明：在設計荷載作用下該節點構造形式存在較強的應力集中現象，盡管通過增加節點板板厚，其受力性能有所改善，但其安全度和剛度仍不能滿足設計要求。
鑒于此大跨度樓蓋的跨度、荷載都比較大且組合網架的結構高度僅為1．67 m，在用鋼量比較經濟的情況下桿件的設計內力很大；為了保證節點有足夠的安全度，節點設計時本工程在對節點形式1進行有限元分析的基礎上曾提出了多種節點構造形式進行試算和調整，并最終在滿足安全的前提下考慮施工便利而取用了如圖4所示的馬鞍型節點，即節點形式2。此節點形式通過在節點板部位設連續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量。
針對節點區域剛度不足的缺點在主桁架斜腹桿的翼緣部位設置了與翼緣等厚的加勁肋，次桁架斜腹桿按構造設置一道加勁肋，主桁架及次桁架的桿件連接仍采用標準節點進行拼接。
3典形節點的有限元分析
DG／TJ 08—52—2004《空間格構結構設計規程》規定空間格構結構的復雜節點及細部構造應采用實體有限單元法進行線性、非線性分析。為此，本工程在設計過程中運用通用有限元分析軟件AN—SYS，選用10結點四面體三維實體單元Solid 92對設計采用的典型節點即節點形式2進行了詳細的線性及非線性有限元分析
