2024年4月4日发(作者：张廖欣跃)
展览馆结构设计
摘要：钢结构屋面能更好地满足大跨度的要求，更好地满足建筑师对大空间的需求，
在建筑设计中的应用也越来越广泛。本文以天津市某展览馆为研究对象，介绍了其结构的
主要特点及结构分析与设计的相关内容。通过对现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构整体模型
的计算分析，主体结构的各项指标均能满足规范要求，保证其整体安全性能。通过对比分
析中庭屋面钢梁与混凝土柱顶不同连接方式下柱顶内力，最终选择铰接连接方式，以释放
柱顶弯矩，减少钢梁对柱顶受力的不利影响，对构件截面和节点进行合理设计。利用
ANSYS有限元分析软件，对中庭屋盖钢梁交叉中心节点进行弹塑性有限元分析。在计算中，
考虑了几何和材料的双重非线性，假定材料为理想弹塑性材料，并遵循von Mises屈服准
则。有限元计算结果表明，节点设计合理安全。本文的分析结论对类似工程的设计具有参
考意义。
关键词：节点分析；Von Mises应力；有限元；材料非线性；几何非线性
随着我国经济建设的快速发展、科技进步和生活需要，大跨度钢结构呈现出快速发展
的势头。该结构的主要特点是：受力合理，抗震性能好，施工方便，维修方便，造价低，
重量轻，结构轻巧，丰富了各种特殊的建筑造型，能充分展现结构独特的力学美感。本工
程中庭屋面采用钢结构，最大跨度22.5m。通过对比分析，确定钢梁与混凝土柱顶的连接
形式，以保证主体结构的合理受力，提高其整体安全性能。钢梁交叉中心节点是整个钢屋
盖的关键部位，节点起着连接汇交构件和传递荷载的作用。节点的合理设计直接影响到结
构的制作安装、安全、工程进度、用钢指标和工程造价等。
1工程概况及结构基本信息
本工程位于天津市，地上二层，不带地下室，长度为50.5m，宽度为32.5m，主要屋
面高度为9.50米。建筑抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为8度（0.20g），设计地震
分组为第二组，场地类别为Ⅲ类，场地特征周期为0.55s。主体为钢筋混凝土框框架-剪力
墙结构。地基基础采用天然地基钢筋混凝土墙下条形基础加柱下独立基础。基础及主体结
构混凝土强度等级为C30，基础垫层混凝土强度等级为C15，采用HRB400钢筋。
2主体结构计算分析
结构建模计算采用中国建筑科学研究院PKPM系列“建筑结构空间有限元分析与设计
软件SATWE”进行结构整体计算分析，整体模型。
在方案的阶段对比框架结构及框架-剪力墙结构，经与甲方沟通协调，为加快工期，避
免立面二次砌筑墙体，本工程决定采用框架-剪力墙结构体系。计算结果表明，主体结构的
第一振型为Y向平动，第二振型为X向平动，第三振型为扭转。X方向的有效质量系数为
99.88%，Y方向的有效质量系数为99.95%。X方向最大层间位移角为1/1705，Y方向最
大层间位移角为1/2055，均小于1/800，满足规范要求。考虑偶然偏心影响的地震力作用
下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移小于楼层平均位移的1.5倍。综上所述，主
体结构各项指标均能满足规范要求，能够保证其整体安全性能。
3中庭钢屋盖计算分析
由于建筑造型需要，展览馆的中庭部分采用钢屋盖，其最大跨度达到22.5m，其他部
位为混凝土屋盖。
3.1钢梁的支座约束条件及截面确定
钢屋盖呈放射状，钢梁围绕混凝土柱顶部建造。钢梁与柱之间有两种连接方式：刚性
连接和铰接连接。通过计算分析比较了两种连接方式对柱顶受力的影响。10个搭接钢梁的
柱顶分别按逆时针方向命名为柱顶1至柱顶10（左下角的柱顶命名为柱顶1，柱顶编号对
应后面的杆件编号）。在“1.0恒+1.0活”工况下柱顶内力。
考虑钢梁汇交于一点，为了节点构造简便，通过计算分析，钢梁统一采用截面为
500×150×10×16的焊接H形梁，材质为Q345B。计算结果显示钢梁最大应力比为0.72，
钢梁的强度、稳定及挠度均满足规范要求。
3.2中庭屋面汇交中心节点延性性能有限元分析
应用ANSYS有限元分析软件对汇交中心节点进行节点弹塑性有限元计算。网格划分采
用自由划分和局部加密相结合的方法，在受力复杂的钢板结合处，加密网格，其余部位均
采用自由分网，共得到十一万多个单元。计算时，考虑几何和材料双重非线性，并假定材
料为理想弹塑性，服从Von Mises屈服准则。采用Newton-Raphson增量迭代方法，辅
助线性搜索技术，应用预测和自适应下降等加速收敛技术，以节点力平衡为收敛准则。本
文在有限元建模和分析中，未考虑残余应力和节点区焊缝的影响。构件均采用Q345钢材。
计算模型.
在1倍杆件内力设计值作用下，钢节点的等效应力，根据计算结果，构件2下翼缘与
腹板连接处节点应力集中最严重，最大应力值为300.6mpa。构件2和构件9附近的区域
是应力较大的区域，因此，对2号和9号构件的上下翼缘采取局部加宽加强措施是合理的，
可以提高钢节点的整体承载力。整个钢节点的应力未达到屈服应力，且无塑性应变。钢节
点的弹性应变可以看出，弹性应变最大的区域也位于下翼缘和构件2腹板的接合处，达到
0.0015。综上所述，在1倍杆件内力设计值作用下，钢节点仍处于弹性发展阶段，整个钢
节点是安全的。
在2倍杆件内力设计值作用下，钢节点的等效应力.从计算结果可知，随着荷载的加大，
节点区域发生应力重分布，应力的数值在逐渐加大，较大应力分布范围也逐渐加大。应力
集中最为严重的部位出现在杆件2的下翼缘与下环板交接位置，最大应力已经超过材料屈
服强度。应力较大的部位还是出现在杆件2与杆件9附近的区域。钢节点的其他大部分区
域的应力还是较小，均未达到屈服应力。钢节点的塑性应变，可以看出，随着荷载的加大，
钢节点开始逐渐出现塑性开展区域，但塑性应变出现的范围很小，集中在杆件2上下翼缘
与腹板交接的部位，说明节点具有足够的安全储备。
通过对上述应力应变结果的分析，在构件内力设计值的1倍作用下，整个节点仍处于
弹性工作阶段；在2倍于构件内力设计值的作用下，只有局部位置进入塑性发展阶段，节
点大部分仍处于弹性工作阶段。因此，整个节点是安全的，能够满足“强节点弱构件”的
抗震性能要求，可以看出钢节点的设计是比较合理。
4结语
本工程通过SATWE程序计算，主体结构各项指标均在合理范围内，满足现行规范的要
求，保证了其整体安全性能。
应用ANSYS有限元分析软件对中庭屋面钢梁汇交中心节点进行非线性有限元数值模拟
分析。分析结果表明，节点设计合理，具有足够的安全储备，可以满足“强节点弱杆件”
的设计要求。
考虑大变形的弹塑性非线性有限元分析可以较好地模拟节点的受力性能，能直接应用
于工程实践
参考文献
[1]董石麟,罗尧治,赵阳.新型空间结构分析、设计与施工[M].北京：人民交通出版
社,2006.
[2]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京:人民交通出版社,2007.
[3]建筑抗震设计规范（GB 50011-2010）（2016版）
[4]钢结构设计标准GB 50017-2017
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2024年4月4日发(作者：张廖欣跃)
展览馆结构设计
摘要：钢结构屋面能更好地满足大跨度的要求，更好地满足建筑师对大空间的需求，
在建筑设计中的应用也越来越广泛。本文以天津市某展览馆为研究对象，介绍了其结构的
主要特点及结构分析与设计的相关内容。通过对现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构整体模型
的计算分析，主体结构的各项指标均能满足规范要求，保证其整体安全性能。通过对比分
析中庭屋面钢梁与混凝土柱顶不同连接方式下柱顶内力，最终选择铰接连接方式，以释放
柱顶弯矩，减少钢梁对柱顶受力的不利影响，对构件截面和节点进行合理设计。利用
ANSYS有限元分析软件，对中庭屋盖钢梁交叉中心节点进行弹塑性有限元分析。在计算中，
考虑了几何和材料的双重非线性，假定材料为理想弹塑性材料，并遵循von Mises屈服准
则。有限元计算结果表明，节点设计合理安全。本文的分析结论对类似工程的设计具有参
考意义。
关键词：节点分析；Von Mises应力；有限元；材料非线性；几何非线性
随着我国经济建设的快速发展、科技进步和生活需要，大跨度钢结构呈现出快速发展
的势头。该结构的主要特点是：受力合理，抗震性能好，施工方便，维修方便，造价低，
重量轻，结构轻巧，丰富了各种特殊的建筑造型，能充分展现结构独特的力学美感。本工
程中庭屋面采用钢结构，最大跨度22.5m。通过对比分析，确定钢梁与混凝土柱顶的连接
形式，以保证主体结构的合理受力，提高其整体安全性能。钢梁交叉中心节点是整个钢屋
盖的关键部位，节点起着连接汇交构件和传递荷载的作用。节点的合理设计直接影响到结
构的制作安装、安全、工程进度、用钢指标和工程造价等。
1工程概况及结构基本信息
本工程位于天津市，地上二层，不带地下室，长度为50.5m，宽度为32.5m，主要屋
面高度为9.50米。建筑抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为8度（0.20g），设计地震
分组为第二组，场地类别为Ⅲ类，场地特征周期为0.55s。主体为钢筋混凝土框框架-剪力
墙结构。地基基础采用天然地基钢筋混凝土墙下条形基础加柱下独立基础。基础及主体结
构混凝土强度等级为C30，基础垫层混凝土强度等级为C15，采用HRB400钢筋。
2主体结构计算分析
结构建模计算采用中国建筑科学研究院PKPM系列“建筑结构空间有限元分析与设计
软件SATWE”进行结构整体计算分析，整体模型。
在方案的阶段对比框架结构及框架-剪力墙结构，经与甲方沟通协调，为加快工期，避
免立面二次砌筑墙体，本工程决定采用框架-剪力墙结构体系。计算结果表明，主体结构的
第一振型为Y向平动，第二振型为X向平动，第三振型为扭转。X方向的有效质量系数为
99.88%，Y方向的有效质量系数为99.95%。X方向最大层间位移角为1/1705，Y方向最
大层间位移角为1/2055，均小于1/800，满足规范要求。考虑偶然偏心影响的地震力作用
下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移小于楼层平均位移的1.5倍。综上所述，主
体结构各项指标均能满足规范要求，能够保证其整体安全性能。
3中庭钢屋盖计算分析
由于建筑造型需要，展览馆的中庭部分采用钢屋盖，其最大跨度达到22.5m，其他部
位为混凝土屋盖。
3.1钢梁的支座约束条件及截面确定
钢屋盖呈放射状，钢梁围绕混凝土柱顶部建造。钢梁与柱之间有两种连接方式：刚性
连接和铰接连接。通过计算分析比较了两种连接方式对柱顶受力的影响。10个搭接钢梁的
柱顶分别按逆时针方向命名为柱顶1至柱顶10（左下角的柱顶命名为柱顶1，柱顶编号对
应后面的杆件编号）。在“1.0恒+1.0活”工况下柱顶内力。
考虑钢梁汇交于一点，为了节点构造简便，通过计算分析，钢梁统一采用截面为
500×150×10×16的焊接H形梁，材质为Q345B。计算结果显示钢梁最大应力比为0.72，
钢梁的强度、稳定及挠度均满足规范要求。
3.2中庭屋面汇交中心节点延性性能有限元分析
应用ANSYS有限元分析软件对汇交中心节点进行节点弹塑性有限元计算。网格划分采
用自由划分和局部加密相结合的方法，在受力复杂的钢板结合处，加密网格，其余部位均
采用自由分网，共得到十一万多个单元。计算时，考虑几何和材料双重非线性，并假定材
料为理想弹塑性，服从Von Mises屈服准则。采用Newton-Raphson增量迭代方法，辅
助线性搜索技术，应用预测和自适应下降等加速收敛技术，以节点力平衡为收敛准则。本
文在有限元建模和分析中，未考虑残余应力和节点区焊缝的影响。构件均采用Q345钢材。
计算模型.
在1倍杆件内力设计值作用下，钢节点的等效应力，根据计算结果，构件2下翼缘与
腹板连接处节点应力集中最严重，最大应力值为300.6mpa。构件2和构件9附近的区域
是应力较大的区域，因此，对2号和9号构件的上下翼缘采取局部加宽加强措施是合理的，
可以提高钢节点的整体承载力。整个钢节点的应力未达到屈服应力，且无塑性应变。钢节
点的弹性应变可以看出，弹性应变最大的区域也位于下翼缘和构件2腹板的接合处，达到
0.0015。综上所述，在1倍杆件内力设计值作用下，钢节点仍处于弹性发展阶段，整个钢
节点是安全的。
在2倍杆件内力设计值作用下，钢节点的等效应力.从计算结果可知，随着荷载的加大，
节点区域发生应力重分布，应力的数值在逐渐加大，较大应力分布范围也逐渐加大。应力
集中最为严重的部位出现在杆件2的下翼缘与下环板交接位置，最大应力已经超过材料屈
服强度。应力较大的部位还是出现在杆件2与杆件9附近的区域。钢节点的其他大部分区
域的应力还是较小，均未达到屈服应力。钢节点的塑性应变，可以看出，随着荷载的加大，
钢节点开始逐渐出现塑性开展区域，但塑性应变出现的范围很小，集中在杆件2上下翼缘
与腹板交接的部位，说明节点具有足够的安全储备。
通过对上述应力应变结果的分析，在构件内力设计值的1倍作用下，整个节点仍处于
弹性工作阶段；在2倍于构件内力设计值的作用下，只有局部位置进入塑性发展阶段，节
点大部分仍处于弹性工作阶段。因此，整个节点是安全的，能够满足“强节点弱构件”的
抗震性能要求，可以看出钢节点的设计是比较合理。
4结语
本工程通过SATWE程序计算，主体结构各项指标均在合理范围内，满足现行规范的要
求，保证了其整体安全性能。
应用ANSYS有限元分析软件对中庭屋面钢梁汇交中心节点进行非线性有限元数值模拟
分析。分析结果表明，节点设计合理，具有足够的安全储备，可以满足“强节点弱杆件”
的设计要求。
考虑大变形的弹塑性非线性有限元分析可以较好地模拟节点的受力性能，能直接应用
于工程实践
参考文献
[1]董石麟,罗尧治,赵阳.新型空间结构分析、设计与施工[M].北京：人民交通出版
社,2006.
[2]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京:人民交通出版社,2007.
[3]建筑抗震设计规范（GB 50011-2010）（2016版）
[4]钢结构设计标准GB 50017-2017
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