三维钢结构软件实现节点设计的新方法

三维钢结构软件实现节点设计的新方法

摘要本文结合三维钢结构软件中节点设计程序的开发实践，提出了一种新的节点程序设计方法，以解决三维钢结构模型的节点设计问题。

关键词钢结构软件节点设计

概述

钢结构连接节点的设计是钢结构设计中重要的内容之一，钢结构的连接节点选用的主要型材与结构形式及其所用材料、加工制造和施工安装等有着密切联系。在连接节点中，通常采用的型材有钢板、角钢、槽钢、圆钢管、方钢管、工字钢、H型钢、T型钢、冷弯薄壁型钢已经焊接箱形钢等。

确定连接节点的构造形式及其连接时，要遵循以下原则：

在节点处内力简洁明确，安全可靠；

确保连接节点有足够的强度和刚度；当有抗震设防时，节点承载力应按照有关规定大于杆件的承载力；

节点加工简单，施工安装方便；

经济性能好。

随着钢结构产业的发展迅猛，高技术水平的钢结构软件作为钢结构产业规模化、现代化的重要条件之一，逐渐为人们所采用，三维建模的钢结构设计软件更是受到人们的青睐，而节点设计是三维钢结构软件需要着重解决的部分。由于钢结构构件连接节点采用多种形状材料作为连接件，并且连接方式多种多样，尤其是当一个节点连接多个构件的时候（如图1.1），受力情况复杂，使用计算机软件往往不容易描述这种节点，这就使软件实现节点设计尤其是节点详图的自动输出非常困难。

图 1.1 典型复杂节点

Fig. 1.1 Typical Complicated Joint

本文结合三维钢结构软件中节点设计程序的开发实践，提出了一种新的节点程序设计方法，以解决三维钢结构模型的节点设计问题。

钢结构节点设计的分析

在软件设计之前，首先对钢结构节点设计的特点进行分析。钢结构根据设计形式不同，一般分为轻型钢结构和普通钢结构，由于使用的钢材种类不同，两种结构所使用的节点形式也存在差别。轻型钢结构以门式刚架结构作为代表，其主要的节点形式（表2.1）包括：

表2.1 轻钢节点

Tab. 2.1 Joint of light steel structure

梁柱连接节点梁梁连接节点中柱节点夹层梁柱连接柱脚节点

普通钢结构的主要节点形式（表2.2）包括：

表2.2 普通钢结构节点

Tab. 2.2 Joint of general steel structure

梁柱刚接节点梁柱铰接节点梁梁连接节点

支撑节点柱柱连接节点柱脚节点

而钢结构节点的组成部分主要包括：

焊缝：需要确定焊接焊缝的尺寸及形式等，主要分为对接焊缝、角焊缝等。

螺栓：需要确定焊接螺栓的尺寸及形式等，包括普通螺栓、高强螺栓和自攻螺丝。其中高强螺栓常用8.8s和10.9s两个强度等级，根据受力特点分承压型和摩擦型。自攻螺丝用于板材与薄壁型钢间的次要连接，国外在低层墙板式住宅中，也常用于主结构的连接。

连接板：多用于实腹式构件的连接。

节点的数据结构设计

通过对钢结构节点的分析和归纳，我们认识到所有的节点都可以看作是板、螺栓、焊缝三种元素的组合体，不管节点形式如何千变万化，如果这些基本元素能够自由的组合，就可以形成所有的节点类型。针对这种情况，可以采用一种全新的节点数据结构处理方式：将单个节点拆分成不同部分，所有的节点类型均采用同一种数据结构描述，节点的数据结构包括一个板的列表，每个板上的螺栓形成一个列表，附属于板边的焊缝形成一个列表。单个节点的数据模型如图3.1所示：

图 3.1节点数据结构

Fig. 3.1 Sketch of joint data structure

这种数据结构设计方式使节点成为了一个组合对象，而构成节点的基本元素——板、焊缝、螺栓仅仅作为组成节点的材料，使得数据结构能用于所有形式的节点，各个节点之间不同的仅仅为板的数量、尺寸、位置等参数的差别，当用户编辑这些基本元素的参数之后，节点数据就可以重新组合成为另外一个节点，这样才能从根本上解决不同类型节点的程序不能重用的问题。

钢结构节点的自动生成

据统计，一般的钢结构中所有用到的节点，70％左右是有具有一定规律的常见类型，这些节点与构件类型直接相关，现代化钢结构生产要求节点设计简洁、施工方便，因此越来越多的标准化节点应用于实际生产当中。这种有一定规律的标准化的节点被称为标准节点。

标准节点的特点是，根据连接构件的截面、节点所处的位置以及其他可以预知的信息，能够得到唯一节点样式。比如，可以规定当节点为框架梁柱连接，而梁采用H200x100x5.5x8、H248x124x5x8和H250x100x6x9的H型钢截面时，节点采用相应形式的连接方法。

表4.1 节点连接表

Tab. 4.1 Joint Table

对于常用的标准节点，可以制定一系列规则，并编写节点选取程序来根据这些规则为模型自动选取节点样式，这种节点设计方式被称为节点的自动生成。节点的自动生成过程描述如下：

首先，需要将模型中的构件进行分类，主要的构件类型包括柱、主梁、次梁、垂直支撑、水平支撑等。建模的过程中，允许用户为每一个构件指定构件类型(如图3.5所示，其中CK表示构件类型为“柱”)，其中有些构件类型可根据构件在模型中的位置由程序自动判断得出，如垂直的构件默认为柱子，水平的构件如两端铰接默认为次梁，两端刚接则默认为主梁。

图 4.1构件属性对话框

Fig. 4.1 Member property dialog

构件设置类型以后，以程序设定的颜色进行显示。

图 4.2 构件视图

Fig. 4.2 Member View

其次，为节点样式设置类别。我们对节点采用两层类别表示方法，第一层类别为节点样式类型，第二层类别为节点连接类型，节点样式类型包含了不同的节点连接类型，节点连接类型从属于节点样式类型，这种分类方法便于程序迅速地为模型设定所需要的节点类型。

节点样式类型表示节点的连接构件，如梁柱节点、主次梁连接、梁支撑节点、柱支撑节点、柱脚节点等。

节点连接类型表示具体的节点连接形式，每一个节点连接类型都会在节点数据库中存在一个节点数据与之相对应，如在梁柱节点类别中，H200x100x5.5x8的梁与柱子连接所对应的节点信息。

在程序中包括自动选择节点功能函数。当输入某个连接节点处所有的构件信息和几何信息后，程序会按照这些信息，并根据一定的准则来判断此连接节点的样式类型，比如，当节点所连接两个构件中，一个为柱子，另一个为梁的时候，此节点被认为是梁柱节点，在确定节点样式类型后，根据构件的截面信息和几何信息等进一步判定节点的连接类型。