濟(jì)南奧體中心體育館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

江 化 冰

(悉地國(guó)際設(shè)計(jì)顧問(wèn)(深圳)有限公司，上海 200433)

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濟(jì)南奧體中心體育館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

江 化 冰

(悉地國(guó)際設(shè)計(jì)顧問(wèn)(深圳)有限公司，上海 200433)

對(duì)“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱構(gòu)件”的意義進(jìn)行了闡述，較為詳細(xì)的介紹了濟(jì)南奧體中心體育館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)方法，并介紹了節(jié)點(diǎn)計(jì)算荷載的選取和判斷節(jié)點(diǎn)是否達(dá)到“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”要求的方法，供工程設(shè)計(jì)分析參考。

支座節(jié)點(diǎn)，索桿節(jié)點(diǎn)，弦支穹頂結(jié)構(gòu)

1 工程概況

本工程采用弦支穹頂屋蓋結(jié)構(gòu)和下部混凝土筒體—框架結(jié)構(gòu)及外網(wǎng)交叉柱編織筒體結(jié)構(gòu)組成的結(jié)構(gòu)體系，其中弦支穹頂由上部單層網(wǎng)殼和下部索桿張拉體系組成，整個(gè)屋蓋結(jié)構(gòu)支承于周邊混凝土環(huán)梁上，弦支穹頂屋蓋組成如圖1所示。

節(jié)點(diǎn)在整個(gè)結(jié)構(gòu)中起到連接結(jié)構(gòu)構(gòu)件，傳遞構(gòu)件內(nèi)力或變形使其共同承擔(dān)、傳遞荷載的關(guān)鍵作用，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的是否合理、節(jié)點(diǎn)承載力的高低直接影響到結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的荷載是否能夠有效地傳遞，一個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)的不論多大、多強(qiáng)，如果節(jié)點(diǎn)承載力不足，荷載、內(nèi)力及變形等也無(wú)法有效傳遞，結(jié)構(gòu)構(gòu)件也就起不到應(yīng)有的作用，因此從某種意義上說(shuō)節(jié)點(diǎn)要比構(gòu)件更加重要。針對(duì)濟(jì)南體育館弦支穹頂屋蓋結(jié)構(gòu)，選取其中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，節(jié)點(diǎn)選取位置示意圖如圖2所示。

1)支座節(jié)點(diǎn)A。

2)單層殼節(jié)點(diǎn)B。

3)索桿—單層殼相連節(jié)點(diǎn)C。

4)索桿節(jié)點(diǎn)D。

2 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原則及目標(biāo)

節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原則：構(gòu)造簡(jiǎn)單、傳力直接，主次分明，主要構(gòu)件連通、豎向構(gòu)件連通。要注意的是構(gòu)件受力大未必為主要構(gòu)件。

節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)達(dá)到目標(biāo)：強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件。

所謂強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件指的是節(jié)點(diǎn)承載力大于構(gòu)件承載力，構(gòu)件破壞先于節(jié)點(diǎn)破壞，構(gòu)件破壞并不一定就是構(gòu)件強(qiáng)度破壞，還可能屬于屈曲破壞，此外還可以看作整體結(jié)構(gòu)的破壞。強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的意義就在于可以發(fā)揮構(gòu)件的承載能力，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的延性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體的延性。如果節(jié)點(diǎn)達(dá)不到強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件，則結(jié)構(gòu)構(gòu)件不論多大、多強(qiáng)，也起不到應(yīng)有的作用，無(wú)法實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的延性，也就無(wú)法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的延性。

3 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.1 支座節(jié)點(diǎn)

3.1.1 支座節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本結(jié)構(gòu)支座節(jié)點(diǎn)所連接的單層殼構(gòu)件共有4根，為377×16圓管，分別來(lái)自四個(gè)不同方向，索則來(lái)自于第五個(gè)方向，鋼管與索的連接可采用肋板連接到一起。考慮到建筑美觀和施工方便，決定采用焊接球節(jié)點(diǎn)如圖3所示。

此節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如下：索由豎向肋板連接，同時(shí)豎向肋板起到與焊接球緊密連接同時(shí)兼加勁肋的作用，徑向鋼管與焊接球連接，環(huán)向鋼管則與徑向鋼管和焊接球相貫連接。這樣鋼管與索通過(guò)豎向肋板和焊接球緊密地連接到一起，傳力路徑簡(jiǎn)單可靠，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖4所示。

3.1.2 支座節(jié)點(diǎn)計(jì)算

節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)目標(biāo)是強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件，由于與上部結(jié)構(gòu)相連的是混凝土環(huán)梁，而混凝土環(huán)梁的配筋是由最大內(nèi)力計(jì)算所得的，混凝土環(huán)梁的強(qiáng)度可以認(rèn)為比最大支座反力稍大，因此節(jié)點(diǎn)荷載可以施加最大支座反力，選取各工況中支座反力最大的工況，將其內(nèi)力施加于節(jié)點(diǎn)各構(gòu)件進(jìn)行節(jié)點(diǎn)分析。

節(jié)點(diǎn)構(gòu)件施加內(nèi)力如下：

斜索：拉力560 kN;

徑向鋼管：壓力850 kN,垂直截面向下剪力：30 kN，以模擬彎矩60 kN·m;

環(huán)向鋼管：壓力810 kN。

經(jīng)有限元分析節(jié)點(diǎn)Von-mises應(yīng)力云圖如圖5所示。

由圖5應(yīng)力云圖可見(jiàn)：在支座反力最大工況下，節(jié)點(diǎn)應(yīng)力除局部應(yīng)力集中點(diǎn)達(dá)到238 MPa外，其余大部分區(qū)域應(yīng)力均在150 MPa以下，整個(gè)節(jié)點(diǎn)承載力完全可達(dá)到2倍反力最大工況下的荷載，達(dá)到強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件，可以保證結(jié)構(gòu)安全。節(jié)點(diǎn)施工后的圖片如圖6所示。

3.2 索桿—單層殼相連節(jié)點(diǎn)

索桿—單層殼相連節(jié)點(diǎn)實(shí)際上就是單層殼節(jié)點(diǎn)與索桿相連，因此可以認(rèn)為索桿—單層殼相連節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)已經(jīng)包含了單層殼節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，因此本文略去單層殼節(jié)點(diǎn)B的設(shè)計(jì)，直接進(jìn)入索桿—單層殼相連節(jié)點(diǎn)C的介紹。

3.2.1 索桿—單層殼相連節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

此節(jié)點(diǎn)由構(gòu)成單層殼的6根各方向鋼管和構(gòu)成索桿體系的索、桿組成，由于本屋蓋結(jié)構(gòu)單層殼作用相對(duì)主要，而索桿體系相對(duì)次要，因此本節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)首先考慮單層殼6根鋼管的連接。而組成單層殼的6根鋼管包括4根徑向鋼管和2根環(huán)向鋼管，其中徑向鋼管在單層殼中作用更重要，因此應(yīng)首先考慮徑向鋼管的連接，保證其連接的可靠性。由于4根鋼管來(lái)自于4個(gè)不同方向，無(wú)法貫通，因此4根鋼管在節(jié)點(diǎn)處均截?cái)噙B接，對(duì)于這樣4根同樣重要、截面相差不大的鋼管較好的連接方法可以采用十字肋板連接，保證了較重要的徑向鋼管的相對(duì)連貫，十字肋板厚度一般取1.5倍～2.5倍鋼管壁厚。徑向鋼管有了可靠連接后可以考慮較次要的環(huán)向鋼管的連接，此處可以采用相貫的連接方法，將環(huán)向鋼管相貫于徑向鋼管上，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)將十字肋的橫向加勁肋延長(zhǎng)，使得環(huán)向鋼管的一部分內(nèi)力通過(guò)橫向肋板直接傳遞到節(jié)點(diǎn)的另一邊，減少了環(huán)向鋼管對(duì)徑向鋼管的影響，同時(shí)加強(qiáng)了節(jié)點(diǎn)同環(huán)向鋼管的連接，做到了傳力直接，連接可靠，而且對(duì)主要受力構(gòu)件影響小，單層殼節(jié)點(diǎn)如圖7所示。

單層殼的連接得到保證后，再考慮索、桿與單層殼的連接。由于單層殼十字肋板的縱向肋板正好與索桿處于同一平面，因此可將縱向肋板加長(zhǎng)兼作索、桿連接的連接板，由于單層殼的6根鋼管與十字肋板緊密連接在一起，因此這種連接方式又將索、桿與單層殼緊密的連接在一起，由于索與桿的銷(xiāo)節(jié)點(diǎn)同處于一塊肋板，因此索的豎向力可以通過(guò)肋板直接傳遞給豎桿，而不必再通過(guò)其他構(gòu)件傳遞，索、桿內(nèi)力不能平衡的部分又通過(guò)十字肋板直接傳遞到了6根鋼管上，做到了傳力直接、簡(jiǎn)單明確，索桿—單層殼相連節(jié)點(diǎn)最終模型圖如圖8所示。

3.2.2 索桿—單層殼節(jié)點(diǎn)計(jì)算

由于本節(jié)點(diǎn)所連接構(gòu)件較多，無(wú)法給出一種較簡(jiǎn)單的組合來(lái)驗(yàn)證強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件，因此本節(jié)點(diǎn)的分析選取了構(gòu)件內(nèi)力最大荷載工況下的構(gòu)件內(nèi)力作為荷載。

上部徑向鋼管：軸向壓力690 kN，垂直橫截面向下剪力：75 kN;

下部徑向鋼管：軸向壓力670 kN，垂直橫截面向下剪力：75 kN;

環(huán)向鋼管：軸向壓力500 kN;

斜索：拉力260 kN;

豎桿：壓力340 kN，約為豎桿屈曲荷載的1/3(豎桿截面為273 mm×10 mm，長(zhǎng)度為11 150 mm，材料為Q345，屈曲荷載1 022 kN)。

經(jīng)有限元分析，節(jié)點(diǎn)Von-mises應(yīng)力云圖如圖9所示。

由上面分析可見(jiàn)，節(jié)點(diǎn)除局部陰角區(qū)應(yīng)力達(dá)到220 MPa外，節(jié)點(diǎn)大部分區(qū)域應(yīng)力在110 MPa以下，考慮節(jié)點(diǎn)應(yīng)力塑性發(fā)展，節(jié)點(diǎn)承載力可以達(dá)到所施加荷載的3倍以上，可以達(dá)到強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的要求，節(jié)點(diǎn)施工后如圖10所示。

3.3 下部索桿節(jié)點(diǎn)

3.3.1 下部索桿節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

下部索桿節(jié)點(diǎn)構(gòu)件較少，僅由斜索、豎桿和環(huán)索組成，斜索和豎桿內(nèi)力均為軸向力，其連接部位均為構(gòu)件端部，其連接方式也較簡(jiǎn)單，斜索可采用銷(xiāo)連接，豎桿則可采用相貫焊或者肋板連接，而環(huán)索則較復(fù)雜，因?yàn)榄h(huán)索在節(jié)點(diǎn)處所貢獻(xiàn)內(nèi)力是通過(guò)索的橫向接觸面?zhèn)鬟f的，而且索在節(jié)點(diǎn)處是保持連通的。由于環(huán)索是通過(guò)橫向接觸面?zhèn)鬟f內(nèi)力，因此節(jié)點(diǎn)與環(huán)所接觸部位應(yīng)為一個(gè)面，為了增大接觸面，減小接觸面的壓應(yīng)力，接觸面可按索的外尺寸設(shè)計(jì)成為圓形槽狀，由于環(huán)索在節(jié)點(diǎn)處有10°的轉(zhuǎn)角，為了避免尖銳的轉(zhuǎn)角，造成環(huán)索損壞，圓形槽應(yīng)設(shè)計(jì)成圓弧狀。如圖11中體a所示，為了將環(huán)索固定，設(shè)計(jì)體b與體a相配套，可通過(guò)螺栓將體b固定于體a上將索夾緊固定，考慮到加工方面的因素，節(jié)點(diǎn)最終采用的是鑄鋼節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)有限元模型圖如圖12所示。

3.3.2 下部索桿節(jié)點(diǎn)的計(jì)算

此節(jié)點(diǎn)受力體系較簡(jiǎn)單，屬于靜定力系，節(jié)點(diǎn)計(jì)算分析施加荷載應(yīng)為使節(jié)點(diǎn)所連接構(gòu)件之一達(dá)到破壞時(shí)的荷載，經(jīng)分析隨著荷載的增加豎桿會(huì)因屈曲而首先達(dá)到破壞，此時(shí)豎桿壓力為1 023 kN，斜索拉力為2 333 kN，環(huán)索拉力為12 032 kN。

經(jīng)有限元彈塑性分析，節(jié)點(diǎn)破壞荷載時(shí)的荷載為豎桿屈曲時(shí)荷載的1.12倍，達(dá)到了強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的要求，節(jié)點(diǎn)在豎桿屈曲時(shí)的Von-mises應(yīng)力云圖如圖13所示，節(jié)點(diǎn)施工后如圖14所示。

4 結(jié)語(yǔ)

1)“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”指的是節(jié)點(diǎn)承載力大于構(gòu)件承載力，構(gòu)件破壞先于節(jié)點(diǎn)破壞，這里的破壞不一定是強(qiáng)度破壞，還包括屈曲等其他形式的破壞。

2)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)構(gòu)造簡(jiǎn)單、傳力直接，分清主次，主要構(gòu)件連通、不壞，豎向構(gòu)件連通、不壞，構(gòu)件受力大不等于主要。

3)支座節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，節(jié)點(diǎn)承載力富裕量較大，主要是因?yàn)橹ё?jié)點(diǎn)相當(dāng)于屋蓋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，基礎(chǔ)牢固結(jié)構(gòu)才能發(fā)揮其應(yīng)有性能，基礎(chǔ)不穩(wěn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)再好、再?gòu)?qiáng)，也只能是浪費(fèi)材料。

4)關(guān)于主要構(gòu)件與次要構(gòu)件，受力大并不一定等于主要。本屋蓋結(jié)構(gòu)環(huán)向桿件在某些部位受力要大于徑向桿件，但并不能說(shuō)明環(huán)向桿件要比徑向桿件重要，區(qū)分構(gòu)件重要性簡(jiǎn)單辦法是將此構(gòu)件去掉，看對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響，在本屋蓋結(jié)構(gòu)中如果將環(huán)向構(gòu)件去掉，結(jié)構(gòu)仍然可以正常工作，但如果將徑向構(gòu)件去掉，則剩余構(gòu)件已經(jīng)無(wú)法成為結(jié)構(gòu)了，徑向構(gòu)件重要性是不言而喻的。

5)節(jié)點(diǎn)的受力離不開(kāi)結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)受力分析時(shí)，應(yīng)考慮實(shí)際結(jié)構(gòu)整體的工作狀態(tài)。

[1] GB 50017—2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Brief introduction of joints design for the steel roof of Jinan Olympic Center loutus arena

Jiang Huabing

(ChinaConstructionDesignInternational(Shenzhen)Co.,Ltd,Shanghai200433,China)

The significance of “strong joints and weak components” was described in the present paper. Principles and methods for design of joint of the roof of Jinan Olympic Center Stadium were also introduced in details. Methods for calculating the load of joint design and criterions for the estimation of joint satisfying the demand of “strong joints and weak components” were put forward. It may be a reference for engineering analysis and design.

support joint, cable joint, suspend-done structure

1009-6825(2017)15-0046-04

2017-02-28

江化冰(1978- )，男，工程師

TU391

A