浅谈结构节点的简化对结构计算的影响

摘要：节点是建筑结构系统的主要元素之一。一般而言，构材会受限于生产或运送的最大尺寸，所以将两个以上的固定体连结起来的构件称为结构节点。同时因为节点种类选择性比较大，同时为了达到增加结构韧性、消减结构内力的目的，也会刻意设计特殊结构节点。节点的简化对于结构计算会产生很大的影响，本文将通过对几例实物的分析，讨论结构节点的简化对结构计算的影响。

关键词：结构节点；简化；结构计算；影响

前言：节点的连接在结构设计中具有十分重要的意义，结构节点的简化，涉及到结构构件的界面抗震验算，以及节点域的剪切变形的变化，所以充分考虑各种因素的变化，对整个钢框架的性能和机构计算有着重要的影响。

常见的结构节点的简化

1.1在现浇钢筋混凝土结构中，简化为刚接节点

即为了方便施工前的设计计算，将复杂的浇钢筋混凝土结构，简化为刚接节点，是设计更加简易方便。

1.2 装配式框架结构节点简化成铰接节点或半铰接节点

就是在梁底和柱的某些部位预埋钢板，安装完成后再进行焊接。由于钢板在其自身平面外的刚度很小，不能保障焊接质量都会很高的情况下，难以保证结构受力后梁柱间不会发生转动的情况。从而会影响到整体结构的质量问题。

1.3 在装配整体式框架结构中，可认为是刚接节点。

这种连接方式是节点弯矩可以在节点两边有效地传递，其刚性不是太好，节点处的实际负弯矩要小于按刚性节点所得到的计算值。

1.4 框架支座可分为固定支座和铰支座

就是当为现浇钢筋混凝土柱的时候，将它设计成固定的支座，根据构造的不同设计成固定支座和铰支座。

2.结构节点的简化影响到结构计算的几个方面

建筑中通常所指的结构节点指的是梁柱、板梁，或其他不同类型结构交接。现代建筑通常一钢结构为主。梁与柱的链接的构造形式主要有三种，即全焊接节点、栓焊混合节点、全栓接节点。在节点计算时，主要计算以下内容，包括梁与柱连接的承载力、柱腹板的局部抗压承载力和柱翼缘板的刚度、梁柱节点域的抗剪承载力。有些建筑空间骨架是由尺寸不同的钢焊接而成的,具有空间节点，在设计中，需要简化节点来达到节省做工时间和保证结构质量高的目的。计算分析时,往往将杆连接作为点状的和刚性(个别情况甚至作为铰支)的节点来处理。其优点是简便,对于少数问题也可获得相当准确的结果。

2.1对变形的影响

在受到外力作用下，一般情况结构连接处会发生变形，合理的节点设计，会通过计算充分考虑节点处的受力情况，增加节点承载力，会减少节点处变形的情况。

2.2 对抗剪承载力的影响

一般，通常计算过程中忽略了及沿梁横向的正应力,但新算法要求及沿梁横向的正应力，因为该应力比较大不能省略不计，此外的计算会产生较大的误差。又是在计算中，还会忽略忽略了节点处的扇形正应力和焊缝附近的抗剪承载力，容易引发变形。

2.3 对最大相当应力的影响

最大应力的计算是结构节点计算需要重点考虑的问题。不同的计算方法产生的误差不同，采用最新的算法，得到的结构节点连接的等相对应力误差较小。

3.钢管混凝土柱-钢梁外环板节点抗弯承载力计算方法

3.1 计算模型

在实际计算中需要建立一个模型，来模拟节点连接处的力学性能。利用节点有限元模型，可以通过测量主要的一些试验参数，节点连接细部尺寸(环板宽度)、梁截面尺寸、柱截面尺寸(柱直径、钢管厚度)、材料性能、轴压比、柱长细比等，进行分析。

3.2 环板宽度的影响

在实验中，得到了不同环板宽度时的环板节点弯矩-转角(M-H)关系曲线。通过分析环板宽度从低到高的梯度变化，可以得出，随着环板宽度增大,节点抗弯承载力增大,当宽度最大时，环板抗弯承载力增加的幅度趋于缓慢,但环板刚度随宽度的变化不是太明显。

3.3 钢梁极限弯矩

在一定情况下，不同钢梁极限弯矩时的节点弯矩和转角存在一定的关系，一般情况下，随着钢梁极限弯矩的增大,节点的承载力和初始刚度都有增大的趋势。但是，同时应该注意一点，在对钢梁极限弯矩变化中,试件仍满足强柱弱梁的要求。

3.4 柱截面含钢率

有实验证明，随着柱截面含钢率的增大,节点抗弯承载力和初始刚度相应增大。

因此，柱截面含钢率的高低，对节点的抗弯承载力会产生影响，同时，节点的初始刚度也会产生变化。因此在计算中，需要考虑变化所产生的误差。

3.5 钢管强度

在建筑材料的选用上，通常会用钢管等做链接材料。通过测试证明，钢管强度对节点弯矩-转角关系影响不大,即节点处抗弯承载力和节点初始刚度随着钢管强度的增大没有明显的变化趋势。在计算上不用考虑钢管强度的影响。

3.6 钢梁强度

在结构计算中，需要考虑钢梁强度对节点弯矩-转角的影响。不同的钢梁强度是，节点弯矩-转角(M-θ)呈现有规律的变化。具体变化规律为，随着钢梁强度的增大,节点抗弯承载力有明显增大，可见钢梁强度对节点弯矩-转角关系有显著影响。

3.7 混凝土强度

混凝土强度对结构节点的抗弯承载力和初始刚度的影响并不明显。通过实验测试，得到了不同混凝土强度时的节点弯矩-转角(M-θ)关系曲线，发现混凝土强度对此并不产生影响。

3.8 节点抗弯承载力影响系数实用计算

对节点抗弯承载力影响因素有:钢管厚度、环板宽度、梁翼缘宽度和厚度、梁高和梁腹板厚度,而柱直径和钢管厚度影响较小。通过一系列测试，利用实验数据，利用数据通过分析，得到了高温下节点初始刚度影响系数Ak表达式如下:

Ak = K0, T K0( 4)

其中:K0,K0,T分别是在20℃和温度T时节点的初始刚度。一般实际节点的初始刚度K0,T较难准确确定,可以取在温度T下Hr=0.002rad对应的节点初始刚度。

4.结构节点不合理的简化计算对安全产生的影响

我们都知道，在一项工程的设计中，计算阶段，结构计算的工作量是很大的,计算精度要求高，采用手工计算会大大讲降低计算精确度和和工作效率。但随着高层、超高层建筑的日益增多,结构越来越复杂,抗震要求越来越高,手工计算的已经难以达到工程计算的要求，随着现代科技的迅速发展，计算机由于工作量和速度非人所及,机算采用更科学、精度更高的计算方法已被大量利用到结构计算中来。

4.1设计模型

以一栋建筑为例，在计算中需要充分考虑各种空间结构的节点对于整栋楼的质量影响。例如以4层的楼为例，在合理设计长宽高的基础上，对于各节点的抗压能力，应力的分布需要通过模型的建立来测试。如果计算模型不符合结构的实际工作状况,会给结构的安全带来隐患。

4.2计算结果误差分析

节点的装饰部分也参与了结构受力,使结构整体发生变化。因此在计算过程中装饰部分是否参与结构受力,带来的内力变化值远远超过了工程计算允许的误差,是一个不容忽视的因素。

结语

一项工程结构节点的设计，是在结构可靠、持久耐用、性能安全的基础上，选择一种经济合理的设计方法，来实现设计任务。节点域起着传递梁柱之间力和弯矩的作用, 这样就使得节点域的应力状态非常复杂。在结构计算中，也提出了更高的要求，通过建立模型、节点域模型分析得到的钢框架整体抗震性能进行合理分析和试验，从而实现结构精确地计算。

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