4m跨度钢结构组合楼盖典型节点的设计及有限元分析
摘 要：通过对一种新型的超规范大跨度钢桁架混凝土组合楼盖的典型复杂节点进行设计和有限元分析，在规范推荐的节点构造基础上提出了一种新型的用于大跨度组合楼盖的节点构造形式，有限元分析结果表明：此种节点构造形式具有良好的受力性能和足够的安全度。
关键词：组合楼盖；典型节点；有限元分析
随着我国城市化进程的加速，大跨度钢结构和组合结构层出不穷，而节点设计一直是大跨结构设计中的重要环节，节点设计是否得当对整个结构的安全性、抗震性和整体性有着直接的影响，因此选择合理的节点构造形式使节点具有足够的极限承载力和安全度就显得格外重要。传统的钢管结构中节点的形式主要有钢管相贯节点、焊接空心球节点和螺栓球节点，其构造形式及理论分析都比较成熟，而对于由H型钢构成的大跨度钢桁架一混凝土组合楼盖，采用何种节点构造形式才能使节点在有足够安全度的情况下达到用钢量省和施工方便是亟待解决和需要深入研究的问题。
l 工程概况
南通市体育会展中心为江苏省第16届省运会的主要竞技场馆，该体育馆二楼网球练习场为一45 m×54 m的大跨度楼盖，整个楼盖内部无竖向支承，楼面结构通过滑动铰支座支承于混凝土框架梁上。由于该楼盖结构跨度达到45 m(已超出规范小于40 m的规定130)、结构高度小(要求小于1．7 m)、使用荷载高(约为10 kN／m。)。显然通常意义的楼盖无法满足上述这种大荷载、大跨度、小结构高度的苛刻要求。本工程在经过多种结构方案的技术、经济指标对比论证的基础上最终选用了新颖的双向正交钢桁架一混凝土组合结构体系(图1)，桁架上下弦杆及斜腹杆都采用易于焊接连接的H型钢，竖腹杆采用无缝钢管，桁架上铺厚100 mm钢筋混凝土楼面板，结构高度为1．67 m，跨高比达27。混凝土楼盖与上弦杆采用栓钉连接(图2)，桁架的节点全部为刚接。
对于这种新型的大跨度双向正交钢桁架一混凝土结构体系的节点设计，国内没有同类工程可以参考，且由于节点处的汇交杆件多、节点受力大，普通的钢板节点远远不能满足设计要求，故需寻求合理的节点构造形式在满足安全、经济、且方便施工的基础上有足够的安全度以满足“强节点弱构件”的设计要求。限于篇幅本文选取了楼盖中部主桁架中杆件受力最大、汇交杆件最多(达9根)的下弦端部节点为典型节点进行设计和分析，其他部位的节点采取了类似的构造措施。
GB 50017—2003《钢结构设计规范》对于梁、柱和支撑相连的节点构造推荐了在支撑端部设置扩大的节点板与支撑相连的节点构造方式即节点构造形式1(图3)，其主次桁架的节点板与斜腹杆的腹板等厚，设置在下弦的加劲肋与斜腹杆的翼缘等厚，主桁架的下弦杆在节点处贯通，次桁架及腹杆与主桁架和节点的连接都采用标准节点等强连接。图3中标准节点的对接部位采用全熔透坡口焊并保证焊接连接的承载能力不低于母材。加劲肋采用角焊缝与主桁架的下弦相连。此种节点构造形式美观、轻巧，但节点部位弧形节点板和盖板加工比较麻烦且节点显得相对柔弱。
分析结果表明：在设计荷载作用下该节点构造形式存在较强的应力集中现象，尽管通过增加节点板板厚，其受力性能有所改善，但其安全度和刚度仍不能满足设计要求。
鉴于此大跨度楼盖的跨度、荷载都比较大且组合网架的结构高度仅为1．67 m，在用钢量比较经济的情况下杆件的设计内力很大；为了保证节点有足够的安全度，节点设计时本工程在对节点形式1进行有限元分析的基础上曾提出了多种节点构造形式进行试算和调整，并最终在满足安全的前提下考虑施工便利而取用了如图4所示的马鞍型节点，即节点形式2。此节点形式通过在节点板部位设连续的马鞍型盖板使斜腹杆与盖板垂直相交并用全熔透坡口焊连接，从而使施工更加方便且易于保证质量。
针对节点区域刚度不足的缺点在主桁架斜腹杆的翼缘部位设置了与翼缘等厚的加劲肋，次桁架斜腹杆按构造设置一道加劲肋，主桁架及次桁架的杆件连接仍采用标准节点进行拼接。
3典形节点的有限元分析
DG／TJ 08—52—2004《空间格构结构设计规程》规定空间格构结构的复杂节点及细部构造应采用实体有限单元法进行线性、非线性分析。为此，本工程在设计过程中运用通用有限元分析软件AN—SYS，选用10结点四面体三维实体单元Solid 92对设计采用的典型节点即节点形式2进行了详细的线性及非线性有限元分析
