10圓鋼管框架柱與形鋼梁連接的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造研究

1、第!卷 第#期建 筑 結(jié)構(gòu)年#月$%圓框架柱與& 形鋼馮（中國(guó)建筑西南接的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造研究遠(yuǎn)#%(）提要 對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)圓管框架柱與& 形鋼框架接設(shè)置外環(huán)板的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了有限元計(jì)算，分析研究了圓管框架柱與框架外環(huán)板的寬度取值接節(jié)點(diǎn)設(shè)置的外環(huán)板形狀、寬度、柱壁厚及柱上應(yīng)力對(duì)框架節(jié)點(diǎn)區(qū)應(yīng)力的影響，并對(duì)影響進(jìn)行了研究，供同類設(shè)計(jì)參考。外環(huán)板 有限元 鋼框架!#$%&()&*+,*-&.$/*&%*0&.$1-,$2*3-4)56$)4*&.$7&$389)4$7&9-:&-9$)*+,-./0.，10+, 23*+，&3*+,45+,63（78.+*953:8/0;:8.:0:3=*?0;.,+.+,*+A

2、B0;0*=8C+;:.:3:0，780+,A3#%(，78.+*）+,%&9):&：1.+.:00?0D0+:*+*?6;.;5E:8053:0=.+,F?*:0G5.+:;5E:80:3H05?3D+*+A&:6F0H0*D5+:80;:00?E=*D0;:=3:3=0.;.+:=5A30AIJ80.+E?30+0;5E:80E5=D，/.A:85E:8053:0=.+,F?*:0，/*?:8.K+0;5E5?3D+，*+A;:=0;0;.+:805?3D+5+:80;:=0;0;.+:80=*+,05EE=*D0G5.+:;*=0;:3A.0AIJ80L*?30E*:5=;5E:80/.

3、A:8:8*:*E E0:8053:0=.+,F?*:0*=0.+L0;:.,*:0A*+A*+H0=0E0=0A.+:80E3=:80=0?0L*+:A0;.,+I;$連接節(jié)點(diǎn)中，通常采用柱貫通形式。在圓管框架柱與框架梁的節(jié)點(diǎn)中，無法在柱內(nèi)設(shè)置水平加勁隔板。因此，只能設(shè)置柱外水平加勁隔板（外環(huán)板）來滿足傳遞關(guān)于外環(huán)板寬度的確定，在傳來的水平力的要求。構(gòu)造設(shè)計(jì)施工指針同解說中，對(duì)環(huán)板寬度提出了計(jì)算公式。目前我國(guó)規(guī)范還沒有明確的規(guī)定，僅在鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)圖集多、民用建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造詳 圖 （） 中規(guī)定，外環(huán)板寬度應(yīng)大于等于%PQ$%9NO!;E（E為寬度），即! !%PQ，外環(huán)板的形狀為菱; E

4、形。為了進(jìn)一步研究圓管框架柱與 & 形鋼框架接節(jié)點(diǎn)設(shè)置外環(huán)板的形狀及寬度對(duì)框架節(jié)點(diǎn)區(qū)應(yīng)力的影響，對(duì)不同形狀環(huán)板的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了有限元計(jì)算，分析圖 節(jié)點(diǎn)環(huán)板應(yīng)力云圖（SY*）了環(huán)板應(yīng)力狀況以及影響環(huán)板寬度的取值。為圓相同荷載下環(huán)板最大應(yīng)力值（WDD$）表?管框架柱與框架接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)提供參考。圓柱形梁節(jié)點(diǎn)外環(huán)板應(yīng)力分析?M&圖集多民用建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造詳圖（%9NO）中鋼框架結(jié)構(gòu)圓設(shè)置外環(huán)板的環(huán)板形狀為菱形環(huán)板形式（也是國(guó)內(nèi)常用的），節(jié)點(diǎn)形式見圖（*）。國(guó)內(nèi)工程常用的另一種外環(huán)板為圓形環(huán)板形式，見圖（H）。基于對(duì)上述節(jié)點(diǎn)的改進(jìn)，給出了圖（）所示的平滑過渡無拐點(diǎn)的弧形外環(huán)板節(jié)點(diǎn)。對(duì)注：#X$為圓外徑X柱

5、壁厚。X$X$%。單元采用十節(jié)點(diǎn)棱錐體單元，受力狀態(tài)為三種節(jié)點(diǎn)形式采用有限元程序進(jìn)行計(jì)7R9SR9算比較。材料采用 T!U（!; !UWDD$），計(jì)算模型加載，%PQ!;&（&為梁的抵抗矩）。在相如圖（A）所示，柱為圓$!& 形鋼 &%X!%同荷載作用下的環(huán)板最大 S.;0;應(yīng)力值見表。#X$!; E菱形圓形弧形最大應(yīng)力比OX$OX$ #%X$#%X$#%X$ #%X$%P%PQ%P%PQ%P%PQ!OU!(!O!UQ!$U#!U$!UQ(U%U(# U!($U#$%$U$%#$U$%P#%ZP(ZP(!Z$P%ZP#$ZPO(ZP#(ZPOZ P#Z$P%$Z PQ$Z$PUZ計(jì)算分析表明，

6、菱形環(huán)板和圓形環(huán)板在與環(huán)板寬度計(jì)算表!外環(huán)板連接處存在明顯的拐點(diǎn)，有較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象。其中，圓形環(huán)板節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中最為明顯，菱形環(huán)板節(jié)點(diǎn)次之，而弧形環(huán)板節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中明顯緩解（圖!）。圓形環(huán)板節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)力值與弧形環(huán)板節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)力值之比為#!$%!。由此可見鋼框架結(jié)構(gòu)圓設(shè)置外環(huán)板的環(huán)板形狀應(yīng)采用平滑過渡無拐點(diǎn)的弧形環(huán)板，避免采用有較大應(yīng)力集中的菱形環(huán)板和圓形環(huán)板。圓與接節(jié)點(diǎn)設(shè)置外環(huán)板的環(huán)板寬度計(jì)算構(gòu)造設(shè)計(jì)施工指針同解說中，對(duì)鋼框!架結(jié)構(gòu)圓與接設(shè)置外環(huán)板的寬度（圖）提出了計(jì)算公式：! （#($%& !#$）(!(（() ）*&)* （!+ ,-+）$%)!（&) ）*當(dāng)$.=9? 9A*B*應(yīng)力

7、!隨著圓=C2D面及圓直徑不變的情況的壁厚減薄而增加。的壁厚減薄而增加；在圓壁厚不變的情況下，圓管下，所需環(huán)板寬度值隨著圓柱直徑大小對(duì)節(jié)點(diǎn)內(nèi)最大?9A*B*應(yīng)力的影響不大；在柱規(guī)格不變的情況下，隨著外環(huán)板寬度)* 與在面及圓壁厚不變的情況下，圓壁厚較厚時(shí)，所需環(huán)板寬度值隨著圓的直徑增大而略有增加；圓壁厚較薄時(shí)，所需環(huán)板寬度值不隨圓的直徑變化而變化?？偟慕Y(jié)果表明，圓直徑大小對(duì)外環(huán)板寬度的影響很小度影響較大。柱的壁厚對(duì)外環(huán)板寬圓與接節(jié)點(diǎn)設(shè)置外環(huán)板有限元計(jì)算為了研究框架圓與 4 形框架接節(jié)點(diǎn)區(qū)圖 計(jì)算模型應(yīng)力的情況，對(duì)+56(，7!86(，7786(的柱寬度+的比值的增加，節(jié)點(diǎn)內(nèi)最大? 9A*B*應(yīng)

8、力減分別和 49+886886!68規(guī)格的 4 形鋼梁組成)小。同時(shí)計(jì)算結(jié)果還表明，節(jié)點(diǎn)內(nèi)最大?9A*B*應(yīng)力的鋼框架節(jié)點(diǎn)在設(shè)置了寬度不同的外環(huán)板的情況受柱上應(yīng)力影響較大，其最大 ? 9A*B*應(yīng)力下進(jìn)行了節(jié)點(diǎn)的有限元計(jì)算，得到了外環(huán)板的應(yīng)力分!=C2D梁柱4+886886!684+886886!6!(4+886886!6!74+886886!6!$4+886886!6!+567)*)+* )$+#+$ 8#!+5#:8#!#: 8#!8(+#(: 8#8(7!(#7:8#87+56)*)+* )7#578#!+7#(!8#!(5$5# 8#!7$!#$ 8#!(#! 8#!8+56+)*)+

9、* )!8(#!8#7!55#8+8#8(5#(8#5(:(#58#77:#588#7+568)*)+* )!(#(+ 8#7!8!7#+7 8#+$!$#(8#$:$!#88 8#$8:!87#8!8#+56!7)*)+* )88#5+!#8875#78#(5(:#+78#:58+#(78#7(7!:$#!: 8#+(!7!867)*)+* )$7#+! 8#!+$8#87 8#!$#$8#!7#8#8(!(#5:8#877!86)*)+* )7+#$+8#!(+(#8: 8#!5$+8#78#!7($#78#!$!#:8#!7!86+)*)+* )!#$8#:!8!#:8#(5!#+(8#

10、8+(8#(+8#:875#$+8#7!868)*)+* )!(#(+ 8#7!8!7#+7 8#+$!$#(8#$:$!#: 8#$!8(#(:8#77!86!7)*)+* )88#5+!#8875#78#(5(:#+78#:58+#(78#7(7!:$#!: 8#+(!77867)*)+* )$:#+8#!+($8#:+ 8#!7#(8#!7#:8#8(5!5# 8#87$7786)*)+* )77#:8#+5#!58#!5:+!#:8#!:!$#5:8#!$#+8#!$7786+)*)+* )!$#878#(8!8$#!88#$:5#78#!(#+8#:+:8#(88#777868)*)

11、+* )!(#(+ 8#7!8!7#+7 8#+$!$#(8#$:$!7#$8#$!#$8#:!7786!7)*)+* )88#5+!#8875#78#(5(:#+78#:58+#(78#7(7!:$#!: 8#+(!節(jié)點(diǎn)內(nèi)最大!#$%&應(yīng)力! （!#） 表,圓設(shè)置外環(huán)板寬度! 與寬度 的比值!()*+$%&)，設(shè)計(jì)在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)無法很好地應(yīng)用此條規(guī)定，如果在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)外環(huán)板寬度! 與寬$度%的比值不進(jìn)行分析，簡(jiǎn)單地直接取用&)，有可能造成安全隱患或浪費(fèi)。結(jié)語（+）鋼框架中圓-與接節(jié)點(diǎn)應(yīng)設(shè)置外環(huán)板，外環(huán)板的形狀最好采用平滑過渡的弧形環(huán)板，避免采用圓形和菱形環(huán)板，圓形和菱形環(huán)板在拐點(diǎn)處將產(chǎn)生

12、較大的應(yīng)力集中。（#）圓設(shè)置弧形外環(huán)板與接節(jié)點(diǎn)中柱的壁厚、環(huán)板寬度以及柱上應(yīng)力對(duì)節(jié)點(diǎn)內(nèi)最大應(yīng)力影響較大。因此，在設(shè)計(jì)該形式節(jié)點(diǎn)時(shí)應(yīng)充分考慮鋼的壁厚、環(huán)板寬度及柱上應(yīng)力對(duì)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力的影響。（.）圓外環(huán)板寬度與設(shè)置外環(huán)板的寬度取值不宜簡(jiǎn)單地按寬度之比!取用。當(dāng)&)$ %隨柱上應(yīng)力增大而增大。從表中還可以看出，外柱應(yīng)力值較小時(shí)可參考構(gòu)造設(shè)計(jì)施工1234環(huán)板寬度!$的取值受圓壁厚及柱上應(yīng)力的影響指針同解說中關(guān)于環(huán)板寬度的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。較大。構(gòu)造設(shè)計(jì)施工指針同解說中關(guān)于環(huán)但當(dāng)柱應(yīng)力值較大時(shí)應(yīng)采用有限元分析確定。板寬度的計(jì)算公式僅考慮了圓壁厚和直徑對(duì)外環(huán)參考文獻(xiàn)板寬度!$的取值的影響，而沒有考慮圓上應(yīng)力

13、對(duì)+構(gòu)造設(shè)計(jì)施工指針同解說+*& 改定6建筑學(xué)會(huì)，外環(huán)板寬度!$ 的取值的影響。圖集多、高+*&6多層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造詳圖中規(guī)定鋼框架結(jié)構(gòu)民用建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造詳圖（&+17(+*）6#（上接第+#頁）結(jié)語（+）對(duì)于大跨度及超大跨度結(jié)構(gòu)，盡可能采用一連接構(gòu)造，使得實(shí)際結(jié)構(gòu)與分析模型接近，并且.些使得結(jié)構(gòu)傳力路線簡(jiǎn)潔、明確。（#）結(jié)構(gòu)的支座布置對(duì)于結(jié)構(gòu)的受力體系影響較大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)多加分析比較。（.）大跨度鋼結(jié)構(gòu)的支座反力對(duì)結(jié)構(gòu)的下部設(shè)計(jì)影響很大，故應(yīng)使支座反力合理，方便下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，圖( 按原建筑方案結(jié)構(gòu)布置圖（#）拱腳處水平推力過大，達(dá).&8!。（.）結(jié)構(gòu)總體用鋼量偏高，頂篷總重量

14、為#&.&9，折合用鋼量+/(8:#。為此，建議建筑師改變下部看臺(tái)立柱的傾斜角度，從而使頂篷的支座位置形成一條空間弧線，并增加兩個(gè)獨(dú)立柱子，以減小端部頂篷跨度。必要時(shí)應(yīng)采用一些滑動(dòng)支座，以部分反力。（/）對(duì)于大跨度的頂篷結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較大，對(duì)于風(fēng)荷載設(shè)計(jì)參數(shù)的取值應(yīng)有充分依據(jù)，包括必要的試驗(yàn)以及對(duì)相關(guān)資料的研究。這樣就形成當(dāng)前方案，彌補(bǔ)了方案一的之處，前主參考文獻(xiàn)拱弦桿的最大管徑減小為!-(&,.&。后部支座位置更加合理，支座數(shù)目也由方案一的+-個(gè)減少為+/個(gè)。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（7;(&+)#&.）6中國(guó)建筑工業(yè)，#&.6+支座水力也有較大幅度的下降，從而也使端部的常熟市體育中心體育場(chǎng)

15、和游泳館模型風(fēng)洞試驗(yàn)研究6同濟(jì)大學(xué)土#混凝土柱子的設(shè)計(jì)更為合理。經(jīng)過這一調(diào)整，用鋼量木工程防災(zāi)國(guó)家，#&.6減為+#8:#，并且從建筑外觀、結(jié)構(gòu)受力、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)等各方面均有較理想的改善。/.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（7;(&*#&+）6中國(guó)建筑工業(yè)#&+6，.!$ %&#&(&)&*#（!#）&+)#(&+)#(&+)#(&+)#(!(*,+-!(*,#&!(*,#(!(*,.#!(*,/&!-+&,+-!-+&,#&!-+&,#(!-+&,.#!-+&,/&!-&,+-!-&,#&!-&,#(!-&,.#!-&,/&(*.- (+*#/-0.*)(.(*0(*-#(#(&/(.*0/.(/(-&+/ (#()/-(.0*+.(+.)&/&-.-*(-(*/0&#/+#)&(/-/#& (-/)(./&/#)+-#-/(* ()./)*./&0).0*#.(.(.+&)#-#-)#.*+0.(-&.+& #()#(&.*#).(*.+(-#(*)#/)-/0-)/-.&/.&.0#)./(/*&#/-+*/#-(.*#0.-*0/