宝钢钢构有限公司 上海 200933

1 工程概况

某博物馆建筑面积约为16 300 m²，整个钢网架屋面呈盐结晶体形状，形式新颖独特（图1）。钢结构网架通过节点支座，与柱顶（或柱侧面）混凝土钢板埋件连接。原结构设计仅提供XSTEEL模型图，主要杆件交汇节点如图2所示，钢结构节点需进行深化设计。

2 节点设计难点及特点

（a）本项目钢结构框架呈空间多维三角面，主要杆件采用Q345圆管杆件相贯相接，杆件长短不一，相贯种类多样；

（b）节点设计主要包含3 项内容：成品支座、铸钢件节点、管管相贯节点，原结构设计均未明确，需补充节点深化设计；

（c）依据设计构思，部分钢管汇集节点采用刚性节点，节点承载弯矩，宜采用铸钢节点，铸钢节点的计算和受力分析异常复杂。

3 节点设计分析思路

（a）一般而言，有众多主杆件汇交，杆件截面大、内力大，杆件间角度无规律、无明显的主次之分，建筑有一定的外观要求时，要求采用铸钢节点。

（b）经过模型参数选择分析，共有60 个节点位置处的主杆件相交节点，作铸钢节点与否则需要根据SAP2000模型中杆件受力大小情况，并结合三维XSTEEL实体模型逐一检查核对（图3）。

图1 博物馆整体效果图

图2 原结构设计主要节点形式

图3 上部钢结构三维模型

（c）Φ1 200 mm×40 mm铸钢空心球重1.33 t，内部隔板重0.3 t，主管相对位置处的短支腿Φ480 mm×25 mm，重280 kg/m，预估每个节点重3～4 t，因此节点的吊装定位将是现场安装的一大难点。

（d）成品支座主要功能为释放温度、减小混凝土收缩引起的不利位移、增强节点转动能力以实现铰接、减小地震作用对下部的影响，支座设计时需要根据结构设计的意图及内力，并结合下部柱截面大小才能确定支座形式、尺寸。

（e）支管与支管、支管与主管一般采用相贯节点，以遵循相贯杆件组拼规范及设计要求[1]。

4 空心球节点设计有限元分析

本项目钢结构为折面空间网格结构，同一个节点处有多个折面汇交，导致节点处处理十分复杂（图4），为保证建筑外观及受力要求，考虑采用铸钢节点。本文取特别复杂的9 个折面同时与柱相交处的节点进行有限元计算分析（图5）。

图4 复杂相贯节点三维模型

图5 拟选取铸钢节点位置示意

此铸钢节点总共有12 根杆件汇交，除柱及斜撑外各杆件截面为Φ480 mm×12 mm，各杆件方向不一。为保证节点安全适用、经济合理，节点选用铸钢空心球节点形式，下文采用有限元分析对此节点进行承载能力分析。

4.1 节点有限元分析

采用有限元软件ANSYS 14.0进行计算分析[2]。分析模型及材料特性的选取均参考《铸钢节点应用技术规程》CECS 235—2008的内容。

4.2 材料特性

铸钢件材质为GS-20Mn5QT，热处理状态为调质。材料弹性模量E=206 000 MPa，泊松比µ=0.3，屈服强度取300 MPa，设计强度取235 MPa。其材性指标见表1。

表1 铸钢力学性能表

4.3 有限元模型

4.3.1 有限单元模型

空心球铸钢节点的有限元分析采用实体单元，单元选用SOLID186单元。初步设计阶段与Φ480 mm×12 mm、Φ450 mm×14 mm钢管相应的铸钢段壁厚分别取20 mm、25 mm进行分析，空心球取Φ1 200 mm×40 mm，内部设置加劲板。铸钢件节点区域有限元计算模型如图6、图7所示，采用自由网格划分单元。

图6 铸钢节点有限元网格划分模型

图7 铸钢节点有限元网格 划分模型（内部加劲）

4.3.2 荷载及约束

根据有限元软件SAP2000计算结果，提取节点区各杆件最大轴力及弯矩，节点区杆件单元编号如图8及单元内力列表如表2所示。

图8 节点区杆件编号

表2 节点区杆件单元编号及单元内力列表

对节点区各杆件施加面压力荷载及节点集中荷载，将下部钢柱底部处作为铸钢节点支撑，施加节点约束[3]。荷载及边界条件如图9所示。

图9 节点荷载

4.4 铸钢节点计算结果

铸钢节点Von-Mises应力分布及整体变形图依次如图10～图15所示。

图10 铸钢节点整体应力分布

图11 铸钢节点内部加劲应力分布

图12 铸钢节点变形一

图13 铸钢节点变形二

图14 铸钢节点变形三

图15 铸钢节点变形四

由节点Von-Mises应力分布如图可知，最大Von-Mises应力位于柱底约束位置处，这是由于各钢管杆件的内力均取最大值导致节点内力不平衡而在柱底产生了附加弯矩造成的，但其最大值仅235 MPa，仍小于铸钢强度设计值。

各支管最大应力为168.5 MPa，斜撑最大应力76.6 MPa，铸钢空心球最大应力为120.6 MPa，球内加劲板最大应力为58.8 MPa，所有应力均小于强度设计值。可见，本节点强度满足规范要求，节点安全可靠。

根据以上铸钢件节点有限元分析，可指导其余铸钢件深化设计，从而完善钢结构深化图纸。

5 结语

复杂空间异型网架结构越来越多地运用于现代建筑中，钢结构节点深化设计的合理性、可靠性、经济性是其指导思想。针对复杂铸钢件节点，需进行结构整体分析、模型搭建、杆件应力计算，从而实现节点构造的合理性，满足原结构设计和实际施工的要求。本文全过程剖析了多维相贯节点的有限元设计分析过程，为成功实现详图转化提供了模型及数据依据。