摘    要：文章提出了一種可三向位移調(diào)節(jié)的新型鋼網(wǎng)架支座節(jié)點(diǎn)，支座與混凝土柱之間采用長螺栓連接，支座底板與預(yù)埋件之間設(shè)有一對互相垂直的螺栓槽孔，可實(shí)現(xiàn)支座的三向位移調(diào)節(jié)。為了研究新型鋼網(wǎng)架支座節(jié)點(diǎn)在實(shí)際工程當(dāng)中的受力狀態(tài)，運(yùn)用有限元分析軟件ABAQUS，按照實(shí)際受力情況對傳統(tǒng)網(wǎng)架支座節(jié)點(diǎn)和新型網(wǎng)架支座節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了非線性受力分析。結(jié)果表明：兩節(jié)點(diǎn)在實(shí)際荷載加載下，空心球支座應(yīng)力、混凝土柱應(yīng)力，以及鋼筋籠應(yīng)力相差不大，表明新型網(wǎng)架支座節(jié)點(diǎn)在實(shí)際工程當(dāng)中能安全使用。

關(guān)鍵詞：三向位移調(diào)節(jié);網(wǎng)架支座節(jié)點(diǎn);ABAQUS;受力分析;

在我國建筑工程快速發(fā)展的背景下，建筑造型也發(fā)生了日新月異的變化，這就要求必須由多種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)來完成。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在大跨度空間結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用非常廣泛，網(wǎng)架可通過支座與預(yù)埋件和混凝土柱連接，最終與基礎(chǔ)連接，如圖1所示。鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在多種大跨工程當(dāng)中得到了越來越多的運(yùn)用[1]。但鋼網(wǎng)架在安裝的過程中受到結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)荷載等影響，導(dǎo)致網(wǎng)架在合攏時(shí)桿件無法精準(zhǔn)對接，而傳統(tǒng)的網(wǎng)架支座對網(wǎng)架位移的調(diào)節(jié)能力有限，因此有必要對網(wǎng)架支座節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造進(jìn)行進(jìn)一步研究。

同時(shí)，鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)支座節(jié)點(diǎn)受力通常比較復(fù)雜，對其承載力性能進(jìn)行分析是工程設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，而節(jié)點(diǎn)的損傷極有可能導(dǎo)致與其連接的鋼構(gòu)件發(fā)生破壞，進(jìn)而帶來結(jié)構(gòu)整體的損傷，所以節(jié)點(diǎn)分析是鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的聚焦點(diǎn)問題，而確保節(jié)點(diǎn)區(qū)域安全和穩(wěn)定則是關(guān)鍵所在[2]。

因此，本文提出了一種可三向位移調(diào)節(jié)的鋼網(wǎng)架支座，支座與混凝土柱之間采用長螺栓連接，支座底板與預(yù)埋件之間設(shè)有一對互相垂直的螺栓槽孔，可實(shí)現(xiàn)支座的三向位移調(diào)節(jié)。并運(yùn)用有限元分析軟件ABAQUS對其進(jìn)行有限元模擬，比較在同一載荷下其支座應(yīng)力、混凝土應(yīng)力，以及鋼筋應(yīng)力，分析新型鋼網(wǎng)架支座節(jié)點(diǎn)能否用于實(shí)際工程中。

1 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

1.1 工程概況

本文分析節(jié)點(diǎn)來源于湖北省襄陽市某港口貨棚項(xiàng)目，該貨棚結(jié)構(gòu)形式為正放四角錐網(wǎng)架螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，其形狀為橢圓拋物面網(wǎng)殼，其桿件為薄壁管形斷面。網(wǎng)架跨度95 m，縱向長度100 m，建筑面積9 578.16 m2，網(wǎng)架整體重量為486 t，網(wǎng)架頂標(biāo)高34.2 m，樓頂設(shè)有自然通風(fēng)氣樓一座，屋頂和兩面的圍護(hù)結(jié)構(gòu)均采用鍍鋁鋅壓型鋼板制作，做法采用檁式，支撐方式采用下弦柱點(diǎn)式支撐。

1.2 支座幾何信息

傳統(tǒng)網(wǎng)架支座設(shè)計(jì)如圖2所示，網(wǎng)架支座連接節(jié)點(diǎn)包括兩部分：一部分為鋼結(jié)構(gòu)支座，包括連接鋼板1和支座筋板；另一部分為混凝土柱及預(yù)埋件，其中預(yù)埋件包括一塊外露連接鋼板和錨固鋼筋。這兩部分通過帶有塞焊螺栓的連接鋼板2相連，其中連接鋼板2與錨固件外露連接鋼板通過角焊縫連接，與連接鋼板1通過螺栓連接。在實(shí)際工程中，由于施工過程中的安裝誤差累積，螺栓球往往偏離預(yù)定位置，導(dǎo)致螺栓球與支座筋板焊接困難。因此，圖2所示的支座連接中連接鋼板1開橢圓螺栓孔（見圖3），橢圓孔沿X（或X′）方向設(shè)置，可在X（或X′）方向上調(diào)節(jié)螺栓球位置偏差；在Y（或Y′）方向上，依靠調(diào)節(jié)連接鋼板2的位置實(shí)現(xiàn)螺栓球的定位。待螺栓球定位并完成焊接后擰緊螺栓，最后完成連接鋼板2與預(yù)埋件外露連接鋼板之間的角焊縫施焊。該支座連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)只為傳遞軸力，可分解為水平力和豎向力，分別通過兩塊預(yù)埋件外露鋼板傳遞給混凝土短柱。當(dāng)螺栓球傳遞過來的彎矩較小可忽略不計(jì)時(shí)，可以使用該支座連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造。如果螺栓球傳遞到支座的彎矩較大，則圖2中的支座連接節(jié)點(diǎn)難以滿足承載力要求。因連接鋼板2與預(yù)埋件外露連接鋼板之間的連接角焊縫承擔(dān)彎矩，角焊縫的承載力難以滿足要求。此外，若螺栓球在豎向偏離預(yù)定位置，圖2中的支座難以在空間第三方向（Z和Z′方向）進(jìn)行調(diào)節(jié)。

為了解決以上問題，提出了一種新型裝配式網(wǎng)架支座節(jié)點(diǎn)，如圖4所示。節(jié)點(diǎn)由空心球支座、調(diào)節(jié)墊板、連接螺栓組成，空心球支座包括支座筋板和連接鋼板，支座筋板上設(shè)有焊接槽，連接鋼板和預(yù)埋連接板通過連接螺栓進(jìn)行連接，連接鋼板和預(yù)埋連接板上均設(shè)置橢圓螺栓孔，且兩螺栓孔互相垂直，連接鋼板和預(yù)埋連接板之間設(shè)有調(diào)節(jié)墊板。這種新型網(wǎng)架支座由于互相垂直螺栓槽孔的設(shè)計(jì)，在X（或X′）和Y（或Y′）方向可以自由移動(dòng)，而在Z方向，可通過改變調(diào)節(jié)墊板的厚度來實(shí)現(xiàn)Z方向的位移調(diào)節(jié)。

圖1 某典型煤棚網(wǎng)架結(jié)構(gòu) 

圖2 傳統(tǒng)網(wǎng)架支座 

圖3 連接鋼板1 

圖4 新型網(wǎng)架支座 

圖5 鋼材本構(gòu)關(guān)系曲線 

2 有限元分析

2.1 材料本構(gòu)

2.1.1 鋼材本構(gòu)

支座鋼材均采用Q235鋼，在ABAQUS的鋼材本構(gòu)模型中，各鋼板、鋼筋及螺栓的材料本構(gòu)均采用雙折線模型（見圖5）。圖5中彈性段Es=2.06×105 MPa，屈服后Et=0.01Es，泊松比v=0.3，鋼材密度為7 850 kg/m3，材料的屈服準(zhǔn)則采用Von Mises屈服準(zhǔn)則[3,4]。

2.1.2 混凝土本構(gòu)

混凝土本構(gòu)關(guān)系采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）附錄C.2推薦的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系。

2.2 有限元模型的建立

2.2.1 模型尺寸

兩種網(wǎng)架支座的尺寸如圖6所示。

對于新型網(wǎng)架支座，在混凝土柱鋼筋加密區(qū)設(shè)有預(yù)留孔，預(yù)留孔在混凝土柱上但不穿透，方便對螺栓進(jìn)行安裝。預(yù)留孔寬150 mm，高70 mm，徑深360 mm，頂部距離鋼筋加密區(qū)頂層685 mm。混凝土柱采用C40普通混凝土，其尺寸及配筋圖如圖7所示。

以上所有圖中尺寸單位均為mm，依據(jù)上述幾何尺寸對兩種網(wǎng)架支座建模。

2.2.2 單元選取

試件在有限元模擬過程中，混凝土采用三維實(shí)體單元C3D8R進(jìn)行模擬，這種單元類型能夠適應(yīng)較大的網(wǎng)格扭曲，即大應(yīng)變分析問題；由于空心球支座、調(diào)節(jié)墊板，以及連接螺栓形狀的不規(guī)則性，為了建模及網(wǎng)格劃分的便捷，采用C3D10進(jìn)行模擬；節(jié)點(diǎn)模型中，由于只考慮縱筋、箍筋承受的拉壓作用，不考慮彎矩的作用，故采用三維線性單元T3D2進(jìn)行模擬[5,6]。

圖6 網(wǎng)架支座尺寸 

圖7 混凝土柱配筋圖 

2.2.3 接觸的設(shè)置

支座模型的預(yù)埋件與鋼筋籠與混凝土設(shè)置“嵌入”接觸，采用罰函數(shù)建立調(diào)節(jié)板與預(yù)埋板、空心球支座底板與調(diào)節(jié)板、螺栓與各鋼板之間的接觸，切向摩擦系數(shù)取值為0.1，法向定義為硬接觸，同樣，在鋼板與混凝土接觸面定義切向摩擦系數(shù)為0.4，法向定義為硬接觸。

2.2.4 網(wǎng)格劃分

各部件網(wǎng)格劃分原則為：受力較大的地方采用較密的網(wǎng)格，受力較小的地方采用較疏的網(wǎng)格。傳統(tǒng)網(wǎng)架支座與新型網(wǎng)架支座的網(wǎng)格劃分如圖8所示。

2.2.5 荷載施加及邊界條件

在螺栓球球心定義一個(gè)參考點(diǎn)，將參考點(diǎn)與螺栓球耦合，在參考點(diǎn)上施加荷載，荷載大小根據(jù)網(wǎng)架實(shí)際情況取值（見圖9）。支座節(jié)點(diǎn)的混凝土柱在實(shí)際工程中會(huì)深入基礎(chǔ)，因此限制混凝土柱底面的平動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)，以此實(shí)現(xiàn)固接。

3 結(jié)果分析

3.1 空心球支座應(yīng)力

傳統(tǒng)網(wǎng)架支座的空心球支座與新型網(wǎng)架支座的空心球支座應(yīng)力對比如圖10所示，傳統(tǒng)網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)空心球支座應(yīng)力集中比較明顯，主要出現(xiàn)在球與支座板焊接處及支座板與鏈接鋼板焊接處，最大應(yīng)力為148 MPa；新型網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)空心球支座應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯，主要出現(xiàn)在球與支座板焊接處，最大應(yīng)力為130 MPa。

3.2 混凝土應(yīng)力

傳統(tǒng)網(wǎng)架支座的混凝土柱與新型網(wǎng)架支座的混凝土柱應(yīng)力對比如圖11所示，傳統(tǒng)網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)混凝土柱應(yīng)力主要集中在左半邊及直角處，最大應(yīng)力為2.3 MPa；新型網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)混凝土柱應(yīng)力主要集中在柱的兩側(cè)及預(yù)留孔處，直角處應(yīng)力較傳統(tǒng)網(wǎng)架支座不明顯，最大應(yīng)力為2.84 MPa，兩種節(jié)點(diǎn)混凝土最大應(yīng)力相差不大，僅相差0.54 MPa。

圖8 模型網(wǎng)格劃分 

圖9 節(jié)點(diǎn)荷載施加 

圖1 0 網(wǎng)架空心球支座應(yīng)力圖 

圖1 1 網(wǎng)架支座混凝土應(yīng)力圖 

圖1 2 網(wǎng)架支座鋼筋應(yīng)力圖 

3.3 鋼筋應(yīng)力

傳統(tǒng)網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)鋼筋與新型網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)鋼筋應(yīng)力對比如圖12所示，傳統(tǒng)網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)鋼筋應(yīng)力主要集中在左半邊及直角處，最大應(yīng)力為15.5 MPa；新型網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)鋼筋應(yīng)力主要集中在混凝土柱的兩側(cè)及預(yù)留孔處，直角處應(yīng)力較傳統(tǒng)網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)不明顯，最大應(yīng)力為15.2 MPa，兩種節(jié)點(diǎn)鋼筋最大應(yīng)力僅相差0.54 MPa。

4 結(jié)論

文章提出了一種可三向位移調(diào)節(jié)的新型鋼網(wǎng)架支座節(jié)點(diǎn)，并對傳統(tǒng)網(wǎng)架支座節(jié)點(diǎn)和新型網(wǎng)架支座節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了有限元分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩節(jié)點(diǎn)的空心球支座均出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力相差不大，傳統(tǒng)支座應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯；兩節(jié)點(diǎn)混凝土柱與鋼筋籠下部應(yīng)力分布基本相同，傳統(tǒng)支座應(yīng)力集中在混凝土柱直角處，而新型支座應(yīng)力集中在預(yù)留孔處，直角處未見明顯應(yīng)力集中。說明新型節(jié)點(diǎn)的可三向調(diào)節(jié)構(gòu)造可減小混凝土柱薄弱處應(yīng)力集中現(xiàn)象，可用于實(shí)際工程中，值得在實(shí)際應(yīng)用中推廣。

參考文獻(xiàn)

[1] 呂建峰．曲面螺栓球節(jié)點(diǎn)鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的吊裝施工技術(shù)[J]．建筑施工，2020,42(10):1868-1871.

[2] 李陽，李克，陳波，等．多層網(wǎng)架分層拼裝整體吊裝施工技術(shù)[J]．四川建筑，2021,41(05):202-204,206.

[3] 王旭松，彭登，劉建濤．基于ANSYS的復(fù)雜鋼網(wǎng)架支座節(jié)點(diǎn)分析[J]．建筑結(jié)構(gòu)，2018,48(S2):510-514.

[4] 孫亞民．支座力學(xué)模型對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)受力的影響分析[J]．低溫建筑技術(shù)，2018,40(04):70-73.

[5] 朱正浩，杜文風(fēng)，劉智?。环N新型單向滑動(dòng)網(wǎng)架支座有限元模擬及試驗(yàn)研究[J]．建筑結(jié)構(gòu)，2015,45(03):63-67.

[6] 陳兩金．基于ABAQUS網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的非線性屈曲分析[J]．福建建筑，2023(02):45-48.

文章來源：城市建筑