支托式连接支撑节点的受力性能分析与设计方法研究学位论文

1、. . . . 支托式连接支撑节点的受力性能分析与设计方法研究摘 要随着经济的发展和科技的进步，我国的钢产量逐渐提高，钢结构广泛应用于高层建筑中。中心支撑钢框架结构是一种经济有效的双重抗侧力结构，在高层建筑钢结构工程中应用广泛。节点的设计原则要求节点连接应具有足够的强度和刚度，支撑节点的设计是整个结构设计中的重要环节。支撑杆与框架梁柱的连接构造，对中心支撑钢框架结构的抗震性能有较大影响。在高层中心支撑钢框架结构中，支撑一般采用型钢制作，构造上两端应刚接，但可按铰接计算。梁柱在与支撑连接件翼缘的连接处，应分别设置加劲肋或隔板，支撑与带有悬臂梁段的梁柱节点连接的这种连接形式称为支托式连接形式。这种

2、连接形式的整体性较好，约束能力较强，应用比较广泛。中心支撑是结构中的主要抗侧力构件，承受大部分水平荷载，其中一部分通过支撑连接件传递到梁和柱上。为了便于支撑的连接，保证连接质量，一般增接件腹板的高度。连接件腹板高度的增大对节点与支撑力传递的影响，采用的计算方法和构造要求使连接件更均匀合理地传递支撑轴力是非常具有实际意义和研究价值。其中一部分水平荷载通过支撑连接件传递到支撑与梁柱相交的节点域上，而现行规和图集并没有给出支撑与梁柱相交节点域的设计方法和相应的构造要求，设计人员主要凭借经验进行设计，缺乏理论依据。为此，本文分别对支撑连接件和支撑与梁相交节点域的受力性能进行了深入分析，提出相应的计算方

3、法和构造要求，供工程设计参考。主要容如下：1、 基于实际钢结构（中心支撑结构钢框架）工程中的支撑与梁柱节点模型，利用ANSYS软件对支撑节点连接件建立有限元模型。通过分析支撑杆端圆弧半径、支撑与柱的夹角、支撑端长比、支撑杆端扩散角对支撑连接件传力的影响，对支撑连接件中各板件分担的支撑轴力建立计算方法，并提出相应的设计构造建议。2、 基于实际钢结构（中心支撑结构钢框架）工程中的支撑与梁柱节点模型，利用ANSYS软件对节点建立有限元模型。通过对比分析支撑轴力、梁端剪力、梁端弯矩、支撑与柱夹角、支撑杆端扩散角等参数对支撑与梁相交节点域剪应力的影响，建立此节点域剪应力的计算方法，并提出相应的设计构造建

4、议。3、 结合相关的理论基础和以上两点的有限元分析，综合考虑分析参数的影响，关于支托式连接支撑节点的设计，提出相应的计算方法与设计建议，为相关的规和图集提供参考依据。关键词：钢结构；框架；中心支撑；连接件；节点域Abstract:With economic development and technological progress, China's steel production has increased. Steel structure is widely used in high-rise buildings. Concentrically braced steel fram

5、e structure is a cost-effective dual lateral resistant structure, which is widely used in the high-rise buildings of steel construction. Requirements of the design principles of the joint are that joint connection should have sufficient strength and stiffness. The design of brace joint is an importa

6、nt part of the design of the entire structure. The detail requirements of the connection brace and frame, which have a greater impact to the seismic performance of concentrically braced steel frame structures.In the high-rise buildings of concentrically braced steel frame structures,generally speaki

7、ng, the brace of H steel, rigid connection at both ends, but can be calculated by hinge at both ends. Ribbed stiffenershall be installed separately in the connection brace connecting piece flange and beam-column, the connection form of brace and beam-column joint with cantilever beam, called the bra

8、cket-brace connecting form.This kind of connection form has the good integrity, strong restraint ability, whice is wildly applied in the concentrically braced steel frame structures The central brace is main anti-lateral force member in the structure, withstands the majority of horizontal loads, a p

9、art transmited to beam and column by brace connecting piece. Increasing web plate depth is used for guranteing the quality and the convenience of the connection.The influence of it to the joint and the transmition, and the computational method used to joint design and detail requirements of brace co

10、nnecting piece for transmitting brace axial force,which has the practical significance and the research value. Parts of horizontal loads by brace connecting piece are transmitted to panel zone of the brace-beam connection, but the relational codes and the standards have not given design method and d

11、etail requirements about it. The designers mainly depend on the experience to carry on the design and lack of the theory basis.Therefore, in this paper, the mechanical behavior of the brace connecting piece and panel zone of the brace-beam connection is analysised, which proposed the corresponding c

12、omputational method and the structure request for engineering design reference. The primary contents are as follows:Firstly, base on brace-beam-column joint model of practical engineering in steel structure (concentrically braced steel frame), finite element models of the brace connecting piece are

13、established by ANSYS software. By analyzing the influence parameters of the brace connecting piece, such as arc radius, angle between brace and column, spread angle of brace-end, the formula of distributing brace axial forceis established and some design proposals are presented. Secondly, base on br

14、ace-beam-column joint model of practical engineering in steel structure (concentrically braced steel frame), finite element models of the panel zone of the brace-beam connection are established by ANSYS software. By analyzing the influence parameters of the shear stress in the panel zone of the brac

15、e-beam connection, such as axial force of brace, moment of beam-end, shear of beam-end, angle between brace and column, spread angle of brace-end, the formula of shear stress of panel zone is established, and some design proposals are presented, which can be referred in the design of the brace joint

16、 of brace and frame connection.Thirdly,integrating correlation theories with above two spot finite element analysis and considering each analysis parameter's influence, the corresponding computational method and the design proposals are presented, which can be referred in the design of the brace

17、 joint of brace and frame connection and provided the reference for the related codes and standards.Key words: steel structure; frame; concentrical brace; braceconnecting piece; panel zone 第一章 绪论1.1 课题研究背景改革开放之前，我国经济比较落后，钢产量比较低，把节约用钢列为国家的一项基本国策，钢结构建筑比较少。改革开放以来，随着经济的发展和科技的进步，钢产量迅速增长，国家提出了合理地使用钢材、发展钢结

18、构的要求。对钢结构的大量研究发现，钢结构具有质轻等优点使其在高层建筑中广泛应用。伴随着高层建筑钢结构的发展与应用，在设计、制作、安装与施工等方面已积累了很多经验，并拥有独立的设计软件与相应规，具备一定的基础和技术创新能力13。钢框架支撑结构体系是高层建筑钢结构工程中最常用的一种双重抗侧力体系之一，根据支撑类型的不同，分为中心支撑形式（CBF）和偏心支撑形式（EBF）4。偏心支撑的特点是支撑斜杆与梁、柱的轴线不汇交于一点，而是偏离一段距离，形成一个先于支撑斜杆屈服的“消能梁段”，偏心支撑框架结构的每根斜杆应至少有一端与框架梁连接，并在斜杆与梁交点至柱之间或者在同一跨另一斜杆与梁交点之间，形成消能

19、梁段；中心支撑的特点是在支撑的每个节点处，各杆件的轴心线汇交于一点，中心支撑根据支撑斜杆的布置形式不同，分为十字交叉形支撑、单斜杆支撑等多种支撑形式57，如图1.1所示。图1.1中心支撑的类型Fig 1.1 The type of concentrically brace在往复的水平地震作用，中心支撑斜杆会从受拉的拉伸状态变为受压的压屈状态，对结构产生巨大的冲击性作用，使支撑与其节点和相邻构件产生很大的附加应力，K形支撑的斜杆因在地震作用下发生受压屈曲或受拉屈服时，将使柱子发生屈曲甚至严重破坏。因此，对于地震区的高层钢结构建筑，不应采用K形中心支撑形式。在实际工程中，而对于十字交叉形支撑、人字

20、形支撑和V形支撑应用的更广泛，当采用单斜杆支撑时，需成对地设置对称的单斜杆，以便于在往复的水平地震作用下，可由对应方向的单斜杆承担轴向拉力，避免水平地震剪力的传递路线受到中断而破坏8,9。钢框架中心支撑结构设计中，支撑杆件一般不承担竖向荷载，所以，在地震作用以与风荷载作用下，支撑斜杆产生屈曲后，不会导致结构的迅速倒塌危与生命安全，通过对结构动力特性的适当控制，进而减轻建筑物的破坏程度。因此，框架中心支撑结构是一种经济有效的抗震结构形式，被广泛应用于高层建筑工程中10,11。伴随着高层建筑钢结构的发展与应用，钢结构节点抗震性能的研究，钢结构中节点的设计是整个结构设计中的重要部位，受到国外工程界的

21、重视。工程实践发现钢结构节点的破坏往往是导致整个结构破坏的主要原因，节点的梁端或柱端和支撑节点等部位，在大震作用下必然遭受很大的力12。近年来随着工程界各位专家的研究不断深入，支撑节点的构造与计算理论都逐渐地丰富起来13。中心支撑斜杆在框架节点处的连接形式主要有两种，一种是斜杆为双槽钢或双角钢组合截面与节点板的连接形式（组合角钢仅宜用于非抗震设防结构中按受拉杆设计），另一种是斜杆为工字形钢（或H型钢）与工字形悬臂杆的连接（或转换连接）14。在高层建筑钢结构中，支撑一般选用H型钢，支撑两端按铰接计算，构造上为刚接15。在高钢规中给出了几种支撑节点的支托式连接形式，均为刚接构造，节点的约束能力较好

22、，对结构的整体刚度有一定的贡献。目前这种节点连接形式广泛应用于国高层钢结构建筑中，节点连接形式如图1.2所示。（a）支撑强轴在平面 （b）支撑弱轴在平面图1.2中心支撑节点Fig 1.2 Concentrical brace joint在高层钢结构工程应用中，为了便于施工、构造处理和满足“强节点弱杆件”的要求16，带支撑的梁柱节点通常采用柱外带悬臂梁段的节点连接形式，工字形悬臂杆与框架梁柱的连接节点一般在工厂加工制作，悬臂梁段与柱以与工字形悬臂杆与梁柱连接均采用焊缝连接，然后运输到施工现场对支撑和梁再进行拼接连接。虽然这种连接形式应用比较广泛，但是相应的规和图集中并没有给出具体的设计方法和构造

23、要求，设计人员主要凭借经验进行设计，缺乏相应的标准可以参考。在实际设计中，悬臂梁段腹板与中间梁段腹板通常设计成等厚，一般情况下，梁的腹板较薄。在地震作用下，支撑是主要的水平抗侧力构件，其中一部分力传递到支撑与梁相交的节点域上。因此，这种设计是否合理，有待于进一步的研究。1.2课题研究目的与意义近年来随着研究的不断深入，关于中心支撑钢框架结构与中心支撑的研究取得了很大进展，但对支撑节点的研究仍然较少。根据国外震害分析表明，许多钢结构的破坏是由于节点首先发生破坏引起的，抗震设计的“强节点弱杆件”要求，这突显出对节点设计的重要性。因此，关于中心支撑节点还有待于进一步的研究。 首先，基于实际工程中的某

24、个支撑与梁柱的节点，通过ANSYS有限元分析软件进行建模分析，对其支撑连接件在支撑轴力作用下的传力规律进行受力性能研究，利用分析结果，提出支撑节点处支撑连接件的设计方法与一些构造要求建议，为此类支撑节点连接件的设计提供参考。其次，基于某实际工程中的某个支撑与梁柱的节点，通过ANSYS有限元分析软件对其节点进行建模分析，对支撑与梁相交节点域进行受力性能研究，利用分析结果，提出支撑与梁相交节点域的设计方法与一些构造要求建议，为此类支撑节点连接件的设计提供参考。通过本课题的研究，为支托式连接支撑与框架连接节点提供相应的设计方法与构造要求建议，进一步地完善支托式连接支撑与梁柱节点的连接形式，满足有关工

25、程设计与施工需要，为相关地方标准与国家规提供参考。1.3 国外同类课题研究现状1.3.1国外研究现状1952年Whitmore17提出有效宽度概念，如图1.3所示，即是斜杆轴力N将通过连接件传递到节点板上，在节点板按照某一个扩散角度传至连接件端部与斜杆轴力N相垂直的一定宽度围，则该一定宽度即称为有效宽度be。利用这一概念可以得到节点板的抗拉承载力与实际受力情况很接近，但是，利用有效宽度法计算节点板的抗压承载力时却显得偏于不安全。（a） 支撑螺栓连接 (b) 支撑焊接连接图1.3有效宽度概念Fig 1.3 The concept of effective width1984年Thornton提出

26、节点板受压承载力计算方法。不他认为支撑斜杆的压力，传递到节点板上，由节点板上受压部分形成的短柱承担18。短柱长度为有效宽度截面到梁柱的最长距离，Whitmore认为柱子的有效长度系数应取0.65，Gross通过静力试验分析，他认为取0.519更合理。但是，Cheng认为取0.5是偏于保守20。1985年Abolhassan Astaneh-Asl认为支撑端部在节点板2倍板厚围具有较好的塑性能力。在试验中观察到三个塑性铰，两个塑性铰在支撑端部的节点板上的，另一个在支撑杆件中间位置21,22。1994年J.J.Roger对节点板屈曲性能进行了研究分析，研究发现：随着节点板厚度的增加，节点板的屈曲承

27、载力逐渐增大；随着节点板自由边长度的增大，节点板的屈曲承载力逐渐减小。对于厚度较薄的节点板时，当采用有效宽度法计算屈曲承载力是偏于不安全的23。1997年UBC（Uniform Building Code）统筑规给出了均力法与其应用实例24。（1.1），（1.2）（1.3）上式中：在计算支撑与梁柱连接的力方面，还有简化正交分解法25（如图1.4）、桁架模拟法26（如图1.5）、平行力法27（如图1.6）、KISS法（如图1.7），简化正交分解法是最常用的一种计算方法，对于同一个实例，采用以上不同的几种方法分别进行计算，经过对比分析发现，简化正交分解法、平行力法、桁架模拟法、KISS法计算的结果

28、都比均力法浪费。因此，在计算支撑与梁柱连接的力时，采用均力法计算是最为经济。图1.4 简化正交分解法 图1.5 桁架模拟法Fig 1.4 Proper orthogonal decomposition Fig 1.5 Truss simulation method图1.6平行法 图1.7 KISS法Fig 1.6Parallel method Fig 1.7 KISSmethod2001年Thornton提出支撑节点板的连接包括五个方面，分别是：它与支撑的连接、它与柱的连接、它与梁的连接、梁与柱的连接、支撑连接反方向的梁与柱的连接28。美国钢结构抗震规29对2t进行了定义，即是离支撑端部最近的

29、嵌固点向支撑轴心线做垂线与支撑端部的距离，如图1.8所示。但Lundeen认为2t是节点板两个嵌固点连线到支撑端部的最小距离30，如图1.9所示。图1.8 AISC对2t的规定 图1.9 Lundeen对2t的规定Fig 1.8 The AISC definition of 2t Fig 1.9 The Lundeendefinition of 2t2001年N.Sheng对节点板强度和受压性能的影响参数进行了一系列研究31。他认为当较长节点板自由边长度与厚度的比值超过时，节点板自由边会出现局部屈曲，并使节点板的极限受压承载力下降幅度增大。2002年M.C.H.Yam和J.J.R.Cheng主

30、要对节点板的受压性能进行了深入研究32。主要分析了传统的设计方法，并对有效宽度法提出了新的见解，他们认为采用有效宽度法时，计算较大节点板的极限承载力是不太安全的；而计算较小节点板的极限承载力是过于保守了。在试验的过程中发现，支撑的角度对于节点板也是有影响的，当支撑的角度为30°时，宜使节点板发生平面外弯曲。2005年Walbridge通过对节点板的单向加载试验和往复加载试验进行研究分析，他认为这两种加载方式对节点板的受力性能影响不大，在往复试验中，从耗能方面分析时，与支撑发生屈曲相比，节点板发生屈曲使得节点耗能更有效，并且节点板的厚度越大，耗能能力越好33。2008年Jung-Han

31、 Yoo等人根据中心支撑框架的抗震性能试验34，进行了研究分析发现：结构中梁和柱的塑性变形较大，因此，认为节点板与框架的连接不是铰接。为了抵抗支撑传来的轴力，需要提高节点板的强度和刚度，但是，当节点板的强度和刚度足够大时，使得支撑的有效长度减小，在地震作用下，支撑是主要的抗侧力构件，承受更多的水平地震力，塑性变形更多的集中于支撑上，支撑会过早的发生破坏。2008年Jung-Han Yoo和Dawn E.Lehman等人提出“椭圆净距离模式”概念35，如图1.10所示。在实际的工程中发现，节点板满足2t的设计要求时，由于节点板增大，给工艺布置带来一些不便，并且不经济。其中，Jung-HanYoo

32、认为：采用椭圆净距离模式会使框架得到更好的抗震性能。并且他给出了椭圆净距离的最佳值为（68）tp，当小于6tp时，节点板的焊缝会过早出现裂缝；当大于8tp时，使得支撑过早出现脆性破坏。Dawn E.Lehman等人认为采用这种距离模式，使节点板的柔性增大，减小了梁柱的焊缝破坏36。图1.10椭圆模式Fig 1.10 Ellipsemode2010年Young-Ju Kim等人对H型支撑的斜肋节点进行滞回性能研究37。试验表明：翼缘与翼缘焊接考虑到减小V点的刚度和大的塑性应变而采用PP焊接法，这可能会导致严重的后果，甚至影响重力的承载机制，因此，建议翼缘焊接采用FP焊接法；斜肋的重叠长度对滞回性

33、能起着重要的支配作用，根据试验结果，一个较小的重叠长度与标准长度L相比，较小的重叠长度不能得到较好的滞回性能，因此，建议重叠的长度至少是超出标准长度为L。1.3.2国研究现状1986年王福田38在钢支撑节点在抗震中的作用与设计中指出：通过对钢支撑节点震害调查与研究，他认为螺栓连接的节点比焊接连接节点的安全度要低；通过试验表明：在节点板平面外设置加劲肋，有效地提高了支撑节点的刚度，其节点的荷载变形曲线有明显的变化。1987年泽渊、熙元39指出：对于焊接钢桁架采用外加式节点板时，其自由边宽厚比应小于。如果超过此值时，应在自由边设横向加劲肋。1999年柴锡强、饶芝英等人40指出：支撑节点板的加固方法

34、，在支撑节点板的自由边加平板，节点板边界条件发生变化，从而使节点板的刚度增大；在节点板两侧沿支撑轴线方向加T形板，从而使其长细比减小，增大节点板的刚度。2003年程超等人41详细介绍了均立法的原理并举例说明其应用，分析了几何和力的参数关系。通过试验证明，均立法在计算节点力方面是一种比较安全而经济的方法，试验的破坏荷载和模型比较接近情况。2003年维亚等人42总结了关于支撑节点连接受力的三种计算方法。这三种计算方法分别是：均匀力法、等代梁法和常用的简化方法。常用的简化方法在国常被采用，也叫做正交分解法，把支撑杆力分解为水平分力和垂直分力，分别传递到节点板与梁柱连接处，此时的节点板与梁柱连接处仅承

35、受剪力，忽略了轴力和弯矩的影响。2006年程建平等人43基于中福城钢结构住宅楼，针对此工程中出现的小夹角支撑节点，提出了一些处理方法，高层钢结构中小夹角H形和箱型支撑节点的处理，提出了加劲肋(隔板)的位置移动处理方法，采用此方法后，降低了现场焊接施工难度，并且提高了焊缝质量和施工进度。2006年44对多层柱支撑铰接钢框架进行了抗震性能研究，他认为：对于三到五层的钢框架，支撑与柱铰接钢框架的抗震性能要比支撑与柱刚接钢框架的抗震性能要提高很多；在共同满足最大顶点侧移限制时，支撑两端刚接钢框架比支撑两端铰接钢框架所需构件截面大，因此，支撑两端铰接的钢框架更为经济。2007年雨宋45对支撑和节点板延性

36、性能的抗震设计进行了研究。他认为：当支撑构件发生屈曲时，与支撑杆端部相连的节点板应具有足够的延性，以便满足支撑杆端部转动，节点板的延性破坏模式应为流塑模式；并建议：支撑杆与节点板连接节点的承压能力和屈服能力，不应小于采用预计的实际屈服应力计算的构件屈服能力。2008年聂华46对钢结构支撑节点板与梁柱连接的力计算方法进行比较分析研究。他认为：主要对比分析了国常用的简化计算方法和美国的均力法，并采用了实例进行对比分析，国的简化方法安全系数更高，但会造成一定程度的浪费。因此，当支撑力较大时，宜采用均力法计算，或者用其它更接近实际的计算方法。2008年黄明超47对铰接钢架支撑连接节点性能与其设计方法进

37、行研究，他指出：根据试验的结果进行分析研究，即使人字形支撑端部不满足2t时，节点板仍具有很好的塑性变形能力，仍能实现平面外失稳后的塑性转动。同时作者还指出，在水平地震荷载作用下，在节点板的平面外方向施加的加劲肋，并没有提高整个体系的耗能能力和屈曲承载力。为了施工方便和构造简单，因此，作者建议：对于人字形支撑与梁连接的节点板，其自由边长度和厚度之比可以大于，不需要在节点板外加肋。2008年颜潇潇、童根树等人48基于成达大厦实际工程，对跨层巨型斜支撑体系的节点进行分析与设计研究。根据有限元分析的结果，他认为：支撑与梁相交节点域的剪应力和von-mises应力都较大，超过了材料的允许应力，因此，针对

38、原设计中此节点域厚度与中间梁段腹板厚度一样进行修改，加厚到原来的一倍才满足安全要求。作者结合此工程的分析，对于此节点域薄弱的情况，可采取下列方法：增大支撑节点域处梁腹板的厚度，或采用与支撑腹板同厚，当由于支撑翼缘较厚时，可采取梁打断支撑贯通的做法。2009年世玺49对节点板式连接的支撑节点进行力学性能分析和设计方法研究。他指出：当支撑采用节点板与梁柱连接时，节点板厚度和支撑与柱夹角对节点板的破坏顺序影响不大；支撑翼缘宽厚比较小时，支撑具有较长的低周疲劳寿命；支撑的长细比较大时，支撑具有较长的低周疲劳寿命；当节点板满足2t时，支撑具有更高的低周疲劳寿命。2009年 牟 伟50关于支撑节点板对铰接

39、支撑框架结构的影响进行有限元分析。他指出：节点板的尺寸对节点的转动刚度有较大的影响，随着节点板尺寸和厚度的逐渐增大，节点的转动刚度逐渐增加；当对于不对称的节点板时，增大节点板与梁连接边的长度对节点转动刚度的影响更大。2009年以一等人51针对新电视塔的新型空间柱-梁-撑节点进行抗震性能试验研究。他们将此节点分为三部分，分别对每个部分进行滞回性能和极限承载力进行分析，并对节点整体性能综合评价。结果表明，此不交汇、非共面的支撑与梁柱节点具有良好的耗能能力，并且外观简洁，施工方便。1.4 本文的研究容与方法虽然，国外对支撑节点、支撑与中心支撑钢框架结构取得了很多研究成果，但是，中心支撑钢框架结构，中

40、心支撑是主要的抗侧力构件，承受大部分水平荷载，其中一部分荷载通过支撑连接件传递到框架梁和框架柱上。相应的规和图集等资料并没有给出关于支撑与梁柱相交节点域的计算方法，工程设计人员主要凭借经验对支撑连接节点进行设计。为了便于施工安装，支撑与梁相交节点域的厚度往往设计成与中间梁段腹板的厚度一样，并没有对此节点域进行的分析。虽然，曾针对某工程做过此节点域的有限元分析研究，但是，没有进行深入分析和扩充。本文依次对此节点的连接件和支撑与梁相交节点域分别进行研究分析，并提出一些构造要求建议，为设计提供参考。1、 基于实际钢结构（中心支撑结构钢框架）工程中的支撑与梁柱节点模型，利用ANSYS软件对支撑节点连接

41、件建立有限元模型，分析支撑杆端圆弧半径、支撑与柱的夹角、支撑端长比、支撑杆端扩散角对支撑连接件传力的影响，对支撑连接件中各板件分担的支撑轴力建立计算方法，并提出相应的设计构造建议。2、 基于实际钢结构（中心支撑结构钢框架）工程中的支撑与梁柱节点模型，利用ANSYS软件对整个节点建立有限元模型，对比分析支撑轴力、梁端剪力、梁端弯矩、支撑与柱夹角、支撑杆端扩散角等参数对支撑与梁相交节点域剪应力的影响，建立此节点域剪应力的计算方法，并提出相应的设计构造建议。3、 结合相关的理论基础和以上两点的有限元分析，综合考虑分析参数的影响，关于支托式连接支撑节点的设计，提出相应的计算方法与设计建议，为相关的规和

42、图集提供参考依据。本课题研究方法：采用理论分析与有限元模拟分析相结合的研究方法。首先根据课题的研究容查阅相关资料，了解节点的设计原则与要求和支撑节点的设计要求与力计算方法，掌握相关的理论知识，学习ANSYS有限元分析软件，为课题的研究分析做铺垫。然后基于实际的钢结构（中心支撑钢框架结构）工程的支撑节点，利用ANSYS有限元分析软件，对典型的支托式连接支撑节点建立模型，通过分析各参数对支撑节点连接件的传力规律和支撑与梁相交节点域剪应力的影响，提出相应的设计要求与设计方法，为此类支撑与框架连接节点的设计提供参考依据。73 / 73第二章 支撑节点的基本理论与有限元分析介绍2.1节点设计与构造多高层

43、建筑钢结构中钢构件首先在钢结构厂房加工制作，然后运送到施工现场进行连接组装在一起，才能成为完整的结构体系。钢构件之间的连接节点一直是工程设计和施工中的重点，连接节点是钢结构的重要部位，影响到整体结构的受力与安全。据统计世界震害情况表明，钢结构连接节点的破坏是导致许多建筑物破坏的主要原因。钢结构节点的受力情况一般都比较复杂，节点的设计构造要求相对比较严格，除了进行相应的理论分析之外，有些高层钢结构的节点尚需进行试验分析研究。因此，钢结构连接节点的设计是钢结构设计工作的重要容，必须予以足够的重视。目前，我国制定的“高层建筑钢结构技术规程”，为节点的构造和设计提供了依据52。2.1.1节点设计基本原

44、则节点的设计是整个工程设计中的重要环节，节点设计一般应遵循以下原则53：（1） 传力应明确、简捷、可靠，使节点计算分析与实际受力情况相一致；节点的传力路径应明确、简捷，根据节点的实际受力状况和构造要求，把节点简化为合理的、简单的计算简图，以便于分析节点的安全度与设计。此外，节点应传力均匀，最大限量的减小应力集中造成的不利影响。（2） 保证节点连接有足够的强度和刚度；节点的强度不够导致节点破坏，节点的刚度不足将产生较大的变形，进而导致节点破坏。节点的破坏都会导致整个结构的破坏。因此，节点连接应具有足够的强度和刚度，以避免发生破坏。（3） 采用合理的细部构造；在地震作用下，节点的细部构造使节点具有

45、良好的耗能能力，保证节点连接的延性，避免节点发生脆性破坏而导致整个结构的破坏。若节点发生局部压曲或脆性破坏，则无法体现钢材的延性优点。（4） 构造应简单、经济、便于加工和安装；节点构造应尽量简单，加工方便，以与安装时容易就位和调整，以保证质量、提高施工效率。节点的构造设计要综合考虑对加工制作和施工安装的方便性，尽量减少节点的类型，便于标准化制作。（5） 构件之间的拼接一般应按等强度原则，即拼接件和连接强度应能传递断开截面的最大承载力。2.1.2节点的抗震设计节点非抗震设计时，不考虑地震作用，结构承受的风荷载起控制作用，连接节点处于弹性受力状态，应按结构处于弹性受力阶段设计。根据建筑抗震设计等规

46、的要求，需要抗震设防的结构，结构承受的风荷载起控制作用时，按风荷载工况计算分析，同时应满足抗震构造要求的相关规定，如果是结构承受的地震荷载起控制作用，应按建筑抗震设计规的相关要求设计。节点在抗震设计结构中，应满足“强连接弱杆件”的要求，即是节点连接的承载力要高于构件自身的承载力。在大震作用下，允许结构部分进入塑性状态，使节点具有良好的延性。节点抗震设计的目的，在于保证构件产生充分的塑性变形时，节点不致破坏54。（1） 高层建筑钢结构的节点连接，当非抗震设防时，应按结构处于弹性受力阶段设计；当抗震设防时，应按结构进入弹塑性阶段设计，节点连接的承载力应高于构件截面的承载力。下式以梁拼接为例：（2.

47、1）（2.2）上式中：（2） 要求抗震设防的结构，当风荷载起控制作用时，仍应满足抗震设防的构造要求。（3） 抗震设防的高层建筑钢结构框架，从梁端或柱端算起的1/10跨长或两倍截面高度围，节点设计应首先验算节点连接的最大承载力；然后验算构件塑性区的板件宽厚比；最后验算受弯构件塑性区侧向支承点间的距离。2.1.3中心支撑节点的设计中心支撑与框架连接节点的特点是节点处各杆件的轴心线都汇交于一点。支撑与框架的连接包括支撑与梁柱的节点连接，支撑与梁的节点连接，支撑与支撑的节点连接。中心支撑连接节点满足下列原则设计55： （1） 抗震设计要求“强连接弱杆件”，支撑节点的连接与支撑拼接的极限承载力，应满足下

48、式的要求。（2.3）上式中：中心支撑的重心线应通过梁与柱的轴线的交点，当受构造条件的限制有不大于支撑杆件宽度的偏心是，节点设计应计入偏心造成附加弯矩的影响。（2） 在多层钢结构中，中心支撑与梁柱节点采用节点板连接时，节点板的有效宽度应符号连接件每侧有不小于30°夹角的规定，沿支撑杆件轴线方向，节点板嵌固点到支撑杆端部的距离不应小于2倍节点板厚度，在大震作用下，节点板发生平面外屈曲，避免支撑的破坏，如图2.1所示。图2.1 中心支撑节点Fig 2.1 Concentrical brace joint（3） 超过12层的高层钢结构，当支撑杆件采用轧制H型钢时，支撑两端与框架连接宜采用刚接

49、。支撑翼缘与框架梁柱的连接采用全熔透坡口焊缝连接，支撑端部截面宜放大或做成圆弧，应分别在支撑翼缘对应的梁柱构件上设置加劲肋，以承受支撑轴向力对梁和柱的竖向和水平分力，如图2.2所示。（a） 支撑强轴在平面 （b） 支撑弱轴在平面图2.2 中心支撑节点Fig 2.2 Concentrical brace joint抗震设计时，常将H型钢支撑的强轴放在框架平面方向（图2.2-a），使支撑端部节点的构造更为刚强，其平面外的计算长度可取轴线长度的0.7倍。当支撑弱轴位于框架平面方向时（图2.2-b），其平面外计算长度可取轴线长度的0.9倍。（4） 人字形或V形支撑在大震下受压屈曲后，其承载力下降，导致

50、横梁在支撑连接处出现不平衡集中力，可能会引起横梁破坏，应在横梁与支撑相交处设置侧向支撑。该支承点与梁端支承点的侧向长细比以与支承力应符合关于塑性设计的规定。2.2 中心支撑节点的连接形式中心支撑根据支撑斜杆形式不同，分为十字交叉支撑、单斜杆支撑、人字形支撑、K形支撑、V形支撑等多种支撑形式。对于不同的支撑布置形式，支撑与框架的连接节点主要包括支撑与梁柱的连接节点、支撑与梁的连接节点、支撑与支撑的连接节点。根据建筑抗震设计规的要求，对于不超过12层的钢结构，支撑常采用角钢或组合角钢，支撑与框架的连接可以采用节点板式连接形式，连接形式构造简单，施工方便。超过12层的钢结构，支撑常采用H型钢，支撑两

51、端应构造刚接。高层钢结构设计技术规程给出了支托式连接支撑节点形式。2.2.1节点板式连接节点在多层钢结构中，中心支撑常采用角钢或组合角钢等轻型钢构件，中心支撑与梁柱节点采用节点板连接56时，节点板的有效宽度应符号连接件每侧有不小于30°夹角的规定，沿支撑杆件轴线方向，支撑端部至节点板最近嵌固点的距离不应小于2倍节点板厚度，以保证在大震下，节点板发生平面外屈曲，避免支撑的破坏，如图2.3所示。图2.3 节点板式连接节点Fig 2.3 Tube-gusset plate connecting joint支撑节点板连接形式是国外提出的一种支撑连接形式，这种连接形式构造简单、施工安装方便，细

52、部构造使这种连接形式有更好的耗能能力。当大震作用时，节点板发生平面外屈曲吸收地震能量，具有良好的延性，避免支撑破坏。支撑节点板连接形式主要应用于工业建筑和一些多层民用建筑。2.2.2支托式连接节点在高层钢结构建筑中，支撑一般采用型钢制作，构造上两端应刚接，带支撑的梁柱节点通常采用柱外带悬臂梁段的形式，使梁柱接头与支撑节点错开，支撑采用支撑连接件连接到梁柱节点上，支撑连接件在与柱梁连接处，应分别设置加劲肋，支撑与梁柱的这种连接形式称为支托式连接57如图2.4所示。支撑轴线与梁柱的轴线交于一点，由于构造条件限制产生偏心，当偏心距离小于支撑杆件宽度时，可以忽略偏心产生的影响，如果偏心大于支撑杆件宽度

53、时，节点设计应计入偏心产生的附加弯矩。（a） 支撑强轴在平面 （b） 支撑弱轴在平面图2.4 支托式连接节点Fig 2.4 Bracketconnecting joint2.3 中心支撑节点的力计算方法2.3.1节点板式连接节点的计算方法节点板连接节点的计算，目前国常采用的计算方法有：有效宽度法58、均力法59,60、简单正交分解法60、等代梁法60等。（1） 有效宽度法（如图2.5所示）斜杆轴力N将通过连接件传递到节点板上，在节点板按照某一应力扩散角度传至连接件端部与斜杆轴力N相垂直的一定宽度围，则该一定宽度即称为有效宽度be。图2.5有效宽度概念Fig 2.5 the concept of

54、 effective width（2.4）上式中：支撑的轴心力设计值；板件的有效宽度，应力扩散角取30°，当采用单肢角钢与节点板用螺栓连接时，应取净宽度；节点板的厚度。（2） 均力法（如图2.6所示）基本假设：1)支撑的重心线与梁柱重心线三者汇交于一点;2)节点板与梁柱的连接处没有弯矩存在，保证各连接面处无弯矩的约束存在;3)节点板与梁柱的连接处被设计成仅承受剪力和轴力。（2.5），（2.6）（2.7）上式中：图2.6均力法Fig 2.6 Uniform force method（3） 简化的正交分解法（如图2.7所示）假定忽略节点板连接处偏心产生的附加弯矩，忽略支撑轴力对梁的竖向分

55、力和对柱的水平分力。（2.8）（2.9）上式中：图2.7 简单正交分解法Fig 2.7 Proper orthogonal decomposition method（4）等代梁法（如图2.8所示）由于节点板缺少部分，可以假设节点板为一根梁，两端分别连接在梁和柱上，由于节点板和梁柱的连接一般为焊接或高强度螺栓连接，可以考虑其连接承受附加弯矩的作用。因此，假设梁端为嵌固，支撑力作为该梁的跨中荷载，可以计算出节点板与梁、柱连接处的力。图2.8 等代梁法Fig 2.8 Displacement beam method根据实例进行计算分析发现，采用常用的简化计算方法所得的计算结果往往偏大，虽然在一定的程

56、度上，这种计算方法是偏于安全，但是，造成一定的浪费，不太符合节点设计的基本原则。当支撑力较大时，采用均力法计算更接近实际情况，这种计算方法更经济合理。由于支撑节点板与梁柱连接处的受力比较复杂，很难确定一种完全精确的计算方法，可通过大量的数值分析与试验分析，但是，这样又比较浪费，这几种计算方法都是近似计算方法。2.3.2支托式连接节点的计算方法目前用的设计构造要求：在抗震设防的结构中，超过12层时，支撑宜采用H型钢制作，两端与其框架可采用刚接构造，梁柱与支撑连接处应设置加劲肋，8、9度采用焊接工字形截面时，其翼缘与腹板的连接宜采用全熔透连接焊缝，支撑与框架连接处，在支撑杆端宜坐车圆弧，圆弧半径不

57、得小于200mm61。在钢结构设计时，常采用简化计算的方法60，支撑轴线与梁柱的轴线汇交于一点，忽略偏心产生的附加弯矩对此节点设计的影响，在支撑连接件与梁柱连接处，简化计算将支撑力分解为水平分力和竖向分力，分别作用于梁柱上，如图2.9所示。 图2.9 简单正交分解法Fig 2.9 Proper orthogonal decomposition method2.4 有限元分析介绍2.4.1有限元分析软件概述随着科技的高速发展，计算机的应用越来越广泛，通过计算机对需要设计的产品进行实时或随后的分析称为计算机辅助工程即CAE（Computer Aided Engineering）。该技术与工程分析相结合形成的新技术，随着有限元理论的应用和计算机的发展，工程师利用该技术和软件对实际工程进行分析，得到良好的效果。随着CAE技术的发展和大型通用有