一种钢结构节点验算的常用方法

构件之间连接应遵循“ 强节点弱构件 ”的设计理念，连接节点的设计和验算至关重要，在很多结构鉴定和加固设计项目中，需要对结构的连接节点（尤其是重要的、受力复杂的关键节点）进行承载力验算和校核，以获取节点的实际受力性能。

节点验算大体有两种方法： 规范方法和有限元方法 。

规范方法 适用于连接形式较明确的连接节点 ，如钢框架的梁柱、梁梁连接节点、柱脚节点，管桁架的相贯节点等，可直接手算或借助各种工具箱进行计算。

有限元方法 适用于连接和受力复杂的各类节点 ，如复杂管节点、支座节点、各类转换结构中的转换节点等，均需要通过有限元计算来确定节点的受力特性。

本文主要介绍基于 有限元方法 的 钢结构连接节点验算 。

采用有限元方法进行连接节点验算时，可遵循如下原则。

1、单元类型选择

一般情况下，可选用 实体单元或壳单元 进行分析。对于重要、复杂、异形节点推荐采用实体单元计算，对于管节点等“薄壁”类节点可采用壳单元或实体单元模拟。

2、网格密度

对 比较关注的节点重点部位、连接的交接部位、容易产生应力集中的位置 ，网格尺寸宜小于相关部位的最小厚度。可通过查看不同网格密度下的计算结果进行验证，当两次计算结果变化幅度不大时，可认为当前网格密度是合适的。

3、约束条件

当 单独分析节点时 ，应注意节点的边界条件处理，既要合理简化，又要尽可能还原其实际的连接性能；

也可采用 多尺度建模 的方式，将验算节点嵌入整体模型中协同分析，可较准确的模拟边界约束。

4、内力取值

当单独分析节点时，可 选择受力较大的一种或几种荷载工况下的设计内力进行计算 ，分析时 可将内力进行一定的放大 ，以考虑最不利的荷载组合效应。

5、正确考虑接触特性

合理确定和模拟各种接触关系 ，如接触类型的选择，接触面力学行为的简化、接触算法的选用、主从面的指定等。

以多尺度建模方式为例，节点验算的主要步骤，如下。

第1步 ：在整体模型中提取节点局部线模。

第2步 ：创建节点三维实体模型。

第3步 ：节点网格划分。

第4步 ：将节点与整体分析模型进行组装和连接。

第5步 ：施加荷载，进行节点验算。

第6步 ：整理计算结果。

以某工程管桁架结构 管节点 为例，采用ABAQUS通用有限元软件进行计算，用 壳单元 模拟，将节点嵌入 结构整体分析模型 验算。

结构整体分析模型，如下图所示。

图1 结构整体分析模型

图2 待验算节点位置

节点验算的主要分析过程，如下 ：

第1步 ：在结构整体分析模型中 提取节点线模，并创建节点三维壳元模型 。

图3 节点线模

图4 节点三维壳元模型

第2步 ：进行 节点网格划分 ，如下图。

图5 节点网格划分

第3步 ： 将节点嵌入ABAQUS整体分析模型 ，如下图。

图6  ABAQUS整体分析模型

图7  节点连接

第4步 ： 施加荷载 ，进行节点分析和验算 ，本次验算的控制工况为1.3恒+1.5风荷载。

第5步 ： 查看并整理验算结果 ，如下图。

图8  节点Mises等效应力

根据上图计算结果，节点大部分区域的应力在200MPa以下，部分杆件之间交接部位应力达到屈服强度，建议采取加强措施，并严控焊接施工质量。