10圆钢管框架柱与形钢梁连接的节点构造研究

1、第!卷 第#期建 筑 结构年#月$%圆框架柱与& 形钢冯（中国建筑西南接的节点构造研究远#%(）提要 对钢框架结构圆管框架柱与& 形钢框架接设置外环板的节点进行了有限元计算，分析研究了圆管框架柱与框架外环板的宽度取值接节点设置的外环板形状、宽度、柱壁厚及柱上应力对框架节点区应力的影响，并对影响进行了研究，供同类设计参考。外环板 有限元 钢框架!#$%&()&*+,*-&.$/*&%*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;$连接节点中，通常采用柱贯通形式。在圆管框架柱与框架梁的节点中，无法在柱内设置水平加劲隔板。因此，只能设置柱外水平加劲隔板（外环板）来满足传递关于外环板宽度的确定，在传来的水平力的要求。构造设计施工指针同解说中，对环板宽度提出了计算公式。目前我国规范还没有明确的规定，仅在钢结构节点设计图集多、民用建筑钢结构节点构造详 图 （） 中规定，外环板宽度应大于等于%PQ$%9NO!;E（E为宽度），即! !%PQ，外环板的形状为菱; E

4、形。为了进一步研究圆管框架柱与 & 形钢框架接节点设置外环板的形状及宽度对框架节点区应力的影响，对不同形状环板的节点进行了有限元计算，分析图 节点环板应力云图（SY*）了环板应力状况以及影响环板宽度的取值。为圆相同荷载下环板最大应力值（WDD$）表?管框架柱与框架接节点的设计提供参考。圆柱形梁节点外环板应力分析?M&图集多民用建筑钢结构节点构造详图（%9NO）中钢框架结构圆设置外环板的环板形状为菱形环板形式（也是国内常用的），节点形式见图（*）。国内工程常用的另一种外环板为圆形环板形式，见图（H）。基于对上述节点的改进，给出了图（）所示的平滑过渡无拐点的弧形外环板节点。对注：#X$为圆外径X柱

5、壁厚。X$X$%。单元采用十节点棱锥体单元，受力状态为三种节点形式采用有限元程序进行计7R9SR9算比较。材料采用 T!U（!; !UWDD$），计算模型加载，%PQ!;&（&为梁的抵抗矩）。在相如图（A）所示，柱为圆$!& 形钢 &%X!%同荷载作用下的环板最大 S.;0;应力值见表。#X$!; E菱形圆形弧形最大应力比OX$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计算分析表明，

6、菱形环板和圆形环板在与环板宽度计算表!外环板连接处存在明显的拐点，有较大的应力集中现象。其中，圆形环板节点应力集中最为明显，菱形环板节点次之，而弧形环板节点应力集中明显缓解（图!）。圆形环板节点的最大应力值与弧形环板节点的最大应力值之比为#!$%!。由此可见钢框架结构圆设置外环板的环板形状应采用平滑过渡无拐点的弧形环板，避免采用有较大应力集中的菱形环板和圆形环板。圆与接节点设置外环板的环板宽度计算构造设计施工指针同解说中，对钢框!架结构圆与接设置外环板的宽度（图）提出了计算公式：! （#($%& !#$）(!(（() ）*&)* （!+ ,-+）$%)!（&) ）*当$.=9? 9A*B*应力

7、!随着圆=C2D面及圆直径不变的情况的壁厚减薄而增加。的壁厚减薄而增加；在圆壁厚不变的情况下，圆管下，所需环板宽度值随着圆柱直径大小对节点内最大?9A*B*应力的影响不大；在柱规格不变的情况下，随着外环板宽度)* 与在面及圆壁厚不变的情况下，圆壁厚较厚时，所需环板宽度值随着圆的直径增大而略有增加；圆壁厚较薄时，所需环板宽度值不随圆的直径变化而变化。总的结果表明，圆直径大小对外环板宽度的影响很小度影响较大。柱的壁厚对外环板宽圆与接节点设置外环板有限元计算为了研究框架圆与 4 形框架接节点区图 计算模型应力的情况，对+56(，7!86(，7786(的柱宽度+的比值的增加，节点内最大? 9A*B*应

8、力减分别和 49+886886!68规格的 4 形钢梁组成)小。同时计算结果还表明，节点内最大?9A*B*应力的钢框架节点在设置了宽度不同的外环板的情况受柱上应力影响较大，其最大 ? 9A*B*应力下进行了节点的有限元计算，得到了外环板的应力分!=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#+(!节点内最大!#$%&应力! （!#） 表,圆设置外环板宽度! 与宽度 的比值!()*+$%&)，设计在进行节点设计时无法很好地应用此条规定，如果在节点设计时对外环板宽度! 与宽$度%的比值不进行分析，简单地直接取用&)，有可能造成安全隐患或浪费。结语（+）钢框架中圆-与接节点应设置外环板，外环板的形状最好采用平滑过渡的弧形环板，避免采用圆形和菱形环板，圆形和菱形环板在拐点处将产生

12、较大的应力集中。（#）圆设置弧形外环板与接节点中柱的壁厚、环板宽度以及柱上应力对节点内最大应力影响较大。因此，在设计该形式节点时应充分考虑钢的壁厚、环板宽度及柱上应力对节点应力的影响。（.）圆外环板宽度与设置外环板的宽度取值不宜简单地按宽度之比!取用。当&)$ %随柱上应力增大而增大。从表中还可以看出，外柱应力值较小时可参考构造设计施工1234环板宽度!$的取值受圆壁厚及柱上应力的影响指针同解说中关于环板宽度的计算公式进行计算。较大。构造设计施工指针同解说中关于环但当柱应力值较大时应采用有限元分析确定。板宽度的计算公式仅考虑了圆壁厚和直径对外环参考文献板宽度!$的取值的影响，而没有考虑圆上应力

13、对+构造设计施工指针同解说+*& 改定6建筑学会，外环板宽度!$ 的取值的影响。图集多、高+*&6多层民用建筑钢结构节点构造详图中规定钢框架结构民用建筑钢结构节点构造详图（&+17(+*）6#（上接第+#页）结语（+）对于大跨度及超大跨度结构，尽可能采用一连接构造，使得实际结构与分析模型接近，并且.些使得结构传力路线简洁、明确。（#）结构的支座布置对于结构的受力体系影响较大，结构设计时应多加分析比较。（.）大跨度钢结构的支座反力对结构的下部设计影响很大，故应使支座反力合理，方便下部结构的设计，图( 按原建筑方案结构布置图（#）拱脚处水平推力过大，达.&8!。（.）结构总体用钢量偏高，顶篷总重量

14、为#&.&9，折合用钢量+/(8:#。为此，建议建筑师改变下部看台立柱的倾斜角度，从而使顶篷的支座位置形成一条空间弧线，并增加两个独立柱子，以减小端部顶篷跨度。必要时应采用一些滑动支座，以部分反力。（/）对于大跨度的顶篷结构，风荷载对结构的影响较大，对于风荷载设计参数的取值应有充分依据，包括必要的试验以及对相关资料的研究。这样就形成当前方案，弥补了方案一的之处，前主参考文献拱弦杆的最大管径减小为!-(&,.&。后部支座位置更加合理，支座数目也由方案一的+-个减少为+/个。钢结构设计规范（7;(&+)#&.）6中国建筑工业，#&.6+支座水力也有较大幅度的下降，从而也使端部的常熟市体育中心体育场

15、和游泳馆模型风洞试验研究6同济大学土#混凝土柱子的设计更为合理。经过这一调整，用钢量木工程防灾国家，#&.6减为+#8:#，并且从建筑外观、结构受力、经济性指标等各方面均有较理想的改善。/.建筑结构荷载规范（7;(&*#&+）6中国建筑工业#&+6，.!$ %&#&(&)&*#（!#）&+)#(&+)#(&+)#(&+)#(!(*,+-!(*,#&!(*,#(!(*,.#!(*,/&!-+&,+-!-+&,#&!-+&,#(!-+&,.#!-+&,/&!-&,+-!-&,#&!-&,#(!-&,.#!-&,/&(*.- (+*#/-0.*)(.(*0(*-#(#(&/(.*0/.(/(-&+/ (#()/-(.0*+.(+.)&/&-.-*(-(*/0&#/+#)&(/-/#& (-/)(./&/#)+-#-/(* ()./)*./&0).0*#.(.(.+&)#-#-)#.*+0.(-&.+& #()#(&.*#).(*.+(-#(*)#/)-/0-)/-.&/.&.0#)./(/*&#/-+*/#-(.*#0.-*0/