某场馆中复杂钢结构节点有限元分析

某场馆中复杂钢结构节点有限元分析

摘要：某局部布置带粘滞阻尼墙的钢框架-中心支撑体系的场馆，在梁柱与支撑

交叉的位置存在复杂的钢结构连接节点，需要对其进行有限元分析，本文即对场

馆中关键位置的复杂钢结构节点进行多工况有限元分析，该节点在荷载增加至标

准组合值时，仅在某些局部存在应力集中现象，在加载结束时梁翼缘大面积进入

塑性，与之相连的柱翼缘和衬板也进入了塑性。衬板有效地参与了受力，说明整

体分析模型的有限元模拟得出的结果可靠。

1引言

某场馆由两个单体组成，两个单体通过地下室连为一体，建筑面积约2万平

方米，两个单体均属于抗震超限建筑，结构体系为局部布置带粘滞阻尼墙的钢框

架-中心支撑体系，地下2层，地上4层。本工程由大量的斜柱及穿层柱钢支撑组成，在斜柱与钢支撑、钢梁交接的位置形成复杂的非正交多向钢结构节点，是设计、加工、施工的的难点和关键点。若采用梁柱节点、支撑与柱连接节点分别计

算进行截面设计，而不是采用整体分析模型进行设计，往往不能真实的反映受力

状态，因此有必要对复杂节点进行整体三维分析；针对形式复杂的节点研究，目

前主要有试验研究及有限元分析，该项目的节点形式在以往工程中出现较多，也

进行过大量的试验研究及有限元分析，关于该类型节点的整体有限元分析方法及

假定成熟，为此针对该项目中出现的典型节点形式进行整体有限元分析可得到可

靠的结果，同时本项目复杂节点处为斜柱，具有一定的工程代表性，通过本分析

研究可为其他类似工程的运用提供参考。

2典型梁、柱、支撑相交节点选取及示意

选取有代表性的斜柱、梁、支撑交叉典型节点，各节点几何模型及构件名称：如图1所示。

图1 典型梁、柱、支撑相交节点示意

各构件长度取值：

a. 以梁的上翼缘所在平面为基准，将柱分成上、下两部分。柱的上部分，其长度取上层

楼层高度的一半；柱的下部分，其长度取下层楼层高度的一半。

b. 支撑的计算长度，取支撑全长的一半。

c. 梁的计算长度由“梁端弯矩“除以”梁端剪力“计算而得。梁端内力由盈建科（YJK）分析

而得，荷载取标准组合。各梁的梁端内力及计算长度如表1所示：各构件截面尺寸如表2所示：

表1 各梁梁端内力及计算长度

表2 构件尺寸

2.1材料属性

所有钢构件均采用Q345b钢材。在计算时，采用理想弹塑性模型，材料的弹性模量取

2.06x105（MPa），泊松比取0.27，屈服应力取310（MPa）。

2.2网格划分

所有板件均采用壳单元S4R模拟。在杆件交汇处网格有加密网格。在梁翼缘、支撑翼缘

与柱的交界处，在柱内设置衬板，其厚度取34mm。梁与柱、支撑与柱采取刚接。节点有限

元模型如下：

图2 节点整体模型

2.3加载制度

分两步进行加载。

第1步：铰接柱的两端，并释放柱顶的轴向平动自由度，使柱仅能够发生轴向变形，并对柱顶施加9000kN的轴向压力。

第2步：约束梁的自由端的面外自由度，使梁仅能发生轴向变形与竖向挠曲，并对梁施加竖向剪力。

与此同时，约束各支撑的自由端，使其仅能发生轴向拉压变形，并对支撑施加轴力。各支撑的内力值如下：

C1：3400kN压力；C2：2300kN拉力；C3：410kN压力；C4：2900kN压力

3计算结果

1) 各节点各加载阶段应力图

按照时间顺序，在加载全过程内取三个关键时刻，即：轴力加载结束时刻、荷载增加至标准组合值时刻及加载结束时刻。节点在各关键时刻的应力图如下：

图3 轴力加载结束

由以上分析可以看出，该节点在荷载增加至标准组合值时，仅在某些局部存在应力集中现象，其整体应力水平在200MPa左右。在加载结束时（此时荷载已经达到标准组合值得2倍以上），梁B4的翼缘大面积进入塑性，与之相连的柱翼缘和衬板也进入了塑性。这说明衬板有效地参与了受力，有限元模拟是符合实际的。

2)节点荷载-位移曲线

作出B4号梁的荷载-挠度曲线，曲线如下：

图 6 荷载-挠度曲线

可以看出，当荷载增加至标准组合值时，节点处在弹性阶段。当B4号梁的挠度接近

20mm时,随着荷载的继续增大，曲线的斜率开始减小，表明节点的刚度开始退化。在本次数值模拟加载结束时，荷载值已经增大到标准组合荷载值的2.4倍。从曲线的走势来看，节点即将达到其承载力极限。说明该节点构件截面选取合理可进行后续设计。

参考文献：

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