钢结构节点结构设计概述

简介

工程师在设计钢结构时通常优先采用杆件构件。然而，在结构的许多位置，构件理论并不适用，例如焊接节点、螺栓节点、基础、墙体开孔、截面高度渐变以及集中荷载作用处。此类位置的结构分析较为复杂，需要特别关注。其受力行为具有非线性特征，必须考虑各种非线性因素，例如钢板材料的屈服、端板或底板与混凝土块之间的接触、螺栓和锚栓的单向受力以及焊缝行为。设计规范（如 EN1993-1-8）及相关技术文献提供了工程解决方法，其共同特点是针对典型结构形式和简单荷载工况推导而来，组件法是其中最常用的方法之一。

组件法

组件法（CM）将节点视为由相互连接的单元——组件——构成的系统。针对每种节点类型建立相应模型，以确定各组件中的内力和应力——详见下图。

采用弹簧模拟的螺栓端板节点各组件

每个组件均采用相应公式单独进行校核。由于每种节点类型都需建立专用模型，当求解具有一般形状和一般荷载的节点时，该方法的适用性存在一定局限。

IDEA StatiCa 联合布拉格捷克理工大学土木工程学院钢结构与木结构系及布尔诺理工大学土木工程学院金属与木结构研究所的项目团队，共同开发了一种用于钢结构节点高级设计的方法。

基于组件的有限元模型（CBFEM）方法具有以下特点：

• 通用性强，适用于工程实践中绝大多数节点、基础及细部构造。
• 简便快捷，在日常工程实践中，其计算时间与现有方法和工具相当。
• 信息全面，能够为结构工程师提供节点受力行为、应力、应变、各组件承载储备以及整体安全性和可靠性的清晰信息。

CBFEM（基于组件的有限元模型）方法的核心理念是保留组件法中已经过验证且行之有效的部分。组件法的薄弱环节——在分析各组件应力时通用性不足——通过引入有限单元法（FEM）进行建模和分析加以弥补。

有限单元法是结构分析中广泛应用的通用方法。将有限单元法用于任意形状节点的建模似乎是理想之选（Virdi, 1999）。由于钢材在结构中通常会发生屈服，因此需要进行弹塑性分析。实际上，线性分析的结果对节点设计并无实用价值。

有限元模型常用于节点受力行为的研究，通常采用实体单元并结合实测材料性能参数。

用于研究的节点有限元模型，钢板和螺栓均采用三维实体单元

在 CBFEM（基于组件的有限元模型）模型中，被连接构件的腹板和翼缘均采用壳单元进行建模，相应的求解方法已经过验证。

从分析模型的角度来看，紧固件——螺栓和焊缝——是最难处理的部分。在通用有限元程序中对此类单元进行建模较为困难，因为这些程序通常不具备所需的特性。因此，需要专门开发有限元组件，以模拟节点中焊缝和螺栓的受力行为。

端板螺栓节点的 CBFEM（基于组件的有限元模型）模型

在对钢框架或钢梁结构进行分析时，构件节点被模拟为无质量点。平衡方程在节点处建立，整体结构求解完成后确定梁端内力。实际上，节点正是由这些内力加载的。节点中所有构件内力的合力为零——整个节点处于平衡状态。

在结构模型中，节点的实际形状是未知的，工程师仅需定义节点为刚性还是铰接。

为了正确设计节点，必须建立能够反映实际状态的可靠节点模型。在 CBFEM（基于组件的有限元模型）方法中，采用长度为最大截面高度 2~3 倍的构件端部。这些区段采用壳单元进行建模。

理论（无质量）节点与未修改构件端部的节点实际形状

为提高 CBFEM（基于组件的有限元模型）模型的精度，一维构件端部的内力作为荷载施加于区段端部。理论节点处的六个力分量传递至区段端部——力的数值保持不变，但弯矩根据力在相应力臂上的作用进行修正。

节点处的区段端部并未相互连接，必须对连接进行建模。在 CBFEM（基于组件的有限元模型）方法中，采用所谓的"制造操作"来模拟节点连接。制造操作主要包括：切割、偏移、开孔、加劲板、肋板、端板与拼接板、角钢、节点板等，同时还需添加紧固件（焊缝和螺栓）。

IDEA StatiCa Connection 可执行两种类型的分析：

1. 考虑材料非线性和接触非线性的几何线性分析，用于应力和应变分析；
2. 特征值分析，用于判断屈曲发生的可能性。

对于节点而言，除非钢板极为细薄，否则无需进行几何非线性分析。钢板的细薄程度可通过特征值（屈曲）分析确定。关于几何线性分析仍然适用的极限长细比，请参见第 3.9 章。软件中未实现几何非线性分析。