鋼結構技術(shù)論文
中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )
建筑鋼結構分會(huì )主辦
中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )
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摘 要：廣博節點(diǎn)不僅受力復雜，而且加工制作影響因素多，現場(chǎng)施工需要考慮交叉工藝。本文通過(guò)分析廣博節點(diǎn)特點(diǎn)，提出了復雜節點(diǎn)概念及總體設計原則；結合梁柱節點(diǎn)、吊桿節點(diǎn)、桁架節點(diǎn)相關(guān)性設計，介紹了復雜節點(diǎn)相關(guān)性設計內容和思路，供類(lèi)似工程節點(diǎn)設計參考。
關(guān)鍵詞：復雜節點(diǎn)；相關(guān)性設計；構造優(yōu)化；制作工藝；施工工藝
1 工程概況
廣東省博物館新館項目鋼結構分為四大部分：核心筒鋼管柱及樓層圈梁，5～6層懸臂桁架體系，吊桿及樓層結構，外圍護立面墻體系。其節點(diǎn)類(lèi)型主要有：鋼管混凝土柱與框架梁的連接節點(diǎn)、吊桿與樓層梁的連接節點(diǎn)、主桁架節點(diǎn)及預應力相關(guān)節點(diǎn)等重要節點(diǎn)（圖1）。
圖1 結構整體及剖面（復雜節點(diǎn)構造優(yōu)化與制作）
梁柱節點(diǎn)：布置于核芯筒體混凝土剪力墻內的鋼管柱（直徑650mm直縫鋼管）與樓層結構對應標高的框架圈梁及樓層梁（截面有II1300×800、H1000×400、H700×300、口1000×650等）連接形成梁柱節點(diǎn)（圖2）。
吊桿節點(diǎn)：在5～6層懸臂桁架內外設置吊桿，懸掛3～4層樓面體系。外圍主要設置DG1（口650×650）吊桿，內有四束121φp7預應力拉索；內圍主要設置DG2（φ299）鋼管吊桿，內有一束121φp7預應力拉索。吊桿與樓層梁（口1000×650、H700×300）連接形成吊桿節點(diǎn)（圖3）。
圖2 梁柱節點(diǎn) 圖3 吊桿節點(diǎn)
桁架節點(diǎn)：5～6層懸臂桁架體系是本工程的主
要受力系統。桁架共8榀，采用雙向交叉平面桁架，桁架高度8m，上下弦采用1.5m×1m箱型截面，腹桿與弦桿等寬為1m，高度從0.8～1.5m不等。桁架上弦內設預應力索，下弦、腹桿及節點(diǎn)內灌注混凝土。桁架節點(diǎn)主要分為：下弦雙向交叉的雙K節點(diǎn)，桁架平面內單K節點(diǎn)兩類(lèi)。其中與預應力相關(guān)的主要節點(diǎn)有：端部預應力索錨固節點(diǎn)，預應力索轉向節點(diǎn)等（圖4）。
圖4桁架節點(diǎn)（復雜節點(diǎn)構造優(yōu)化與制作）
2 復雜節點(diǎn)相關(guān)性設計原則
復雜節點(diǎn)是指節點(diǎn)受力復雜、內部構造復雜、加工制作工藝復雜、安裝施工工藝難的節點(diǎn)。節點(diǎn)設計不僅要保證節點(diǎn)在各種受力工況下的安全性，還要滿(mǎn)足加工制作工藝和安裝施工工藝的可實(shí)施性。
2.1復雜節點(diǎn)的特點(diǎn)
廣博項目中，復雜節點(diǎn)的特點(diǎn)是：
1）節點(diǎn)受力復雜。本工程結構體系具有三大特點(diǎn)：懸掛結構、組合結構、預應力結構，在三種受力體系的共同作用下其節點(diǎn)受力異常復雜，需要針對不用的受力特點(diǎn)分別設計。
2）節點(diǎn)構造設計交叉工藝影響多。桁架內、吊桿內設置了預應力拉索，梁柱節點(diǎn)、桁架下弦、腹桿及節點(diǎn)內需要灌注混凝土，這些施工工藝都影響著(zhù)節點(diǎn)的構造設計。
3）制約因素多。有些節點(diǎn)翼板需要整體下料，復雜的節點(diǎn)構造限定了結構的分段，大量節點(diǎn)需要在工廠(chǎng)制作成為整體，不僅使深化設計、構件加工難度大，同時(shí)給構件的運輸和鋼結構安裝帶來(lái)困難。
4）節點(diǎn)超大、超重、超厚。本工程最大節點(diǎn)尺寸為4800mm×4800mm×3100mm，重達43.5t，最厚板件為80mm。
2.2復雜節點(diǎn)相關(guān)性設計原則
針對本工程節點(diǎn)特點(diǎn)，結合制作工藝、施工安裝方法及節點(diǎn)受力性能對本工程的復雜節點(diǎn)構造進(jìn)行優(yōu)化設計。充分發(fā)揮構件材料的強度，確保節點(diǎn)不先于構件破壞，構造簡(jiǎn)單、傳力直接，保證其在各種荷載作用下的安全性，同時(shí)滿(mǎn)足各交叉工藝的施工要求，且加工制作相對簡(jiǎn)單。
3 復雜節點(diǎn)相關(guān)性設計
3.1梁柱節點(diǎn)相關(guān)性設計
梁柱節點(diǎn)為了保證鋼管柱內灌注混凝土的連續性，取消內環(huán)加勁板；部分箱形鋼梁截面寬度大于鋼管柱，不能直接相貫；剪力墻區域內梁柱節點(diǎn)箱形截面鋼梁內需要灌注混凝土。根據以上節點(diǎn)特點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)性設計如下：
1）鋼管柱內取消內環(huán)加勁板，在節點(diǎn)牛腿上下翼緣設置環(huán)向布置的補強加勁板，增強鋼管柱的局部強度。截面尺寸大的箱形截面牛腿翼緣板整板下料，開(kāi)孔鋼柱貫通，也增加了節點(diǎn)域的剛度(圖5)。
圖5 梁柱節點(diǎn)構造示意（復雜節點(diǎn)構造優(yōu)化與制作）
2）對于箱形截面鋼梁寬度大于鋼管柱截面，與鋼管柱相貫腹板不能直接傳遞剪力，通過(guò)設置兩道豎向加勁板或通過(guò)另外一個(gè)方向鋼梁的腹板將剪力傳遞到鋼管柱上。這樣傳力路線(xiàn)明確且工廠(chǎng)加工制作簡(jiǎn)單易行。
3）核心筒內鋼管柱及節點(diǎn)區箱形梁內需灌注混凝土，為了降低混凝土灌注難度，在箱型牛腿腹板處上部開(kāi)設灌注孔，在內部加勁板上開(kāi)設混凝土流通孔，為了保證混凝土灌注的密實(shí)性在鋼柱附近上翼緣板開(kāi)設透氣孔。
3.2吊桿節點(diǎn)相關(guān)性設計
原吊桿節點(diǎn)設計為“只傳剪力，不傳彎矩”的鉸接節點(diǎn)，吊桿尺寸為600mm×600mm，穿過(guò)樓層梁上下翼緣板（與翼緣板不連接）。剪力從樓層梁腹板通過(guò)兩道豎向加勁板傳遞到吊桿上，吊桿內部節點(diǎn)域設置十字加強板；彎矩通過(guò)翼緣板繞過(guò)吊桿傳遞，實(shí)現了連續梁的作用。內部加勁板形成了一個(gè)個(gè)密閉箱體，存在焊接死角，即使優(yōu)化節點(diǎn)組裝順序也不能滿(mǎn)足要求，工廠(chǎng)加工制作難度極大（圖6）。
圖6 吊桿節點(diǎn)原設計方案（復雜節點(diǎn)構造優(yōu)化與制作）
吊桿節點(diǎn)相關(guān)性設計具體如下：
1）節點(diǎn)經(jīng)優(yōu)化后改為剛接節點(diǎn)，吊桿截面改為650mm×650mm，剪力直接通過(guò)腹板傳遞到吊桿（圖7），取消間接傳遞剪力的加勁板。
梁腹板與吊桿翼緣連接焊縫和吊桿本身翼腹焊縫重疊，為了避免焊縫重疊，將吊桿在腹板高度范圍內向外延伸50mm與腹板對接（圖8）。
（2）箱型梁上下翼緣整板下料，開(kāi)孔保證吊桿貫通，同時(shí)上下翼緣在開(kāi)孔范圍向外延伸300mm彌補開(kāi)孔對其截面的削弱。
圖7翼緣板整板下料
圖8吊桿節點(diǎn)構造示意（復雜節點(diǎn)構造優(yōu)化與制作）
3）吊桿內十字加勁板應根據受力情況采用不同的焊縫形式，在三個(gè)受力端采用全熔透一級焊縫，非受力端采用雙面角焊縫，保證了十字加勁板與吊桿焊接的可操作性（圖8）。
3.3桁架節點(diǎn)相關(guān)性設計
桁架節點(diǎn)構造設計不僅要保證承載力的要求，還要結合工廠(chǎng)加工制作工藝、預應力施工工藝、混凝土灌注工藝等因素綜合考慮。
3.3.1單K、雙K節點(diǎn)相關(guān)性設計
單K節點(diǎn)相關(guān)性設計原則：1）在節點(diǎn)域將弦桿端部局部加厚，以保證其在各種荷載作用下的安全性；2）在相鄰腹桿之間設置豎向連接板，保證腹桿受力的有效傳遞，避免局部應力的產(chǎn)生；3）調整腹桿端部板件的角度，以改善傳力，保證焊接操作條件；4）在桁架弦桿區內設置橫、縱向構造加勁板，提高節點(diǎn)承載能力和局部剛度；5）對于大拘束度厚板焊接避免焊接層狀撕裂現象產(chǎn)生。
單K節點(diǎn)構造優(yōu)化：
1）在相鄰腹桿之間設置腹桿連接板解決不同截面的腹桿連接，腹板連接板的高度要滿(mǎn)足焊接最小操作空間的要求，取最小高度為300mm。連接板厚度取兩腹桿中板件最大厚度的1.5倍(圖9)。
圖9單K節點(diǎn)構造圖（復雜節點(diǎn)構造優(yōu)化與制作）
2）調整腹桿端部下翼緣板件的角度，使其與弦桿翼板的角度θ≥60°，保證了焊接的操作空間，改善了傳力路徑，同時(shí)增大了節點(diǎn)域剛度。
3）在弦桿區域設置水平受力加勁板，同時(shí)又在水平受力加勁板之間增設了一道構造加勁板和縱向構造加勁板，增大節點(diǎn)域剛度。水平受力加勁板厚度與對應的腹桿翼緣板厚相同，構造加勁板厚度根據規范要求取20mm。
4）節點(diǎn)弦桿上翼板厚度一般為35mm～80mm，其焊接拘束度較大，焊接過(guò)程容易產(chǎn)生層狀撕裂現象。因此，首先對于承受面外作用力的厚板（≥40mm）要求Z15性能，另外采用合理的焊接剖口形式（圖10）。
圖10 焊接剖口優(yōu)化
5）桁架節點(diǎn)與腹桿連接，為了對接處的吻合，在節點(diǎn)制作加工中增加端口回字構造加勁板，以保證端口的矩形度。在腹桿之間、與弦桿的交角增加散力板，消耗一部分由腹桿傳遞到節點(diǎn)域的內力，增強了點(diǎn)的承載能力。
3.3.2 雙K節點(diǎn)相關(guān)性設計
雙K節點(diǎn)構造設計的原則：1）沿用單K節點(diǎn)的1）、3）、4）、5）四個(gè)原則；2）在四個(gè)腹桿中心設置“受力筒”，同時(shí)四個(gè)方向腹桿上翼緣板在同一標高上，保證傳力順利、均勻，避免局部應力過(guò)大；3）兩個(gè)方向相交應該避免焊縫重疊；4）在焊接無(wú)法達到的條件下，保證主要焊縫，放棄次要焊縫；5）滿(mǎn)足運輸要求。
雙K節點(diǎn)構造優(yōu)化：
1）節點(diǎn)一般構造設計參見(jiàn)單K節點(diǎn)。
2）雙K節點(diǎn)腹桿四個(gè)方向匯交在一起，為了避免腹桿上翼板相交高度不同引起的局部應力，需要將上翼板調整在同一高度上，共同通過(guò)一個(gè)“受力筒”傳遞內力。在“受力筒”內設置傳力加勁板和加強加勁板（圖11）。
圖11 雙K節點(diǎn)構造圖（復雜節點(diǎn)構造優(yōu)化與制作）
3）為了避免相交處焊縫重疊，以一個(gè)方向的腹桿、弦桿貫通，另一個(gè)方向通過(guò)內部加勁板連接的方式設計，同時(shí)腹桿以腹板為主，翼板與之相焊。
圖12 雙K節點(diǎn)相貫示意（復雜節點(diǎn)構造優(yōu)化與制作）
貫通的腹桿腹板存在不同板厚的對接，對接焊縫錯開(kāi)另外方向腹桿腹板與之相貫的焊縫，在中間對接（圖12）。貫通弦桿與斷開(kāi)弦桿連接，將貫通弦桿的翼緣板伸出50mm與另外翼緣板對接（圖12）。
4）節點(diǎn)下弦與鋼管柱連接，下弦翼板受到很大的局部壓力，在下弦相交范圍內設置了十字加勁板加強。通過(guò)優(yōu)化節點(diǎn)組裝順序，首先保證十字加勁板與弦桿下翼板的焊縫；其次十字加勁板與弦桿腹板采用雙面角焊縫，保證局部應力通過(guò)剪力形式傳遞到節點(diǎn)；最后放棄十字加勁板與弦桿上翼板的焊接。
5）對于桁架下弦雙向交叉的雙K節點(diǎn)，為了保證節點(diǎn)的整體性，其節點(diǎn)尺寸為4800mm×4800mm×3100mm，重量為43.5t，超過(guò)的運輸范圍。工廠(chǎng)制作按整體節點(diǎn)放樣、下料，點(diǎn)焊預拼裝，然后分開(kāi)運輸至現場(chǎng)進(jìn)行拼焊。
3.3.3 預應力相關(guān)節點(diǎn)相關(guān)性設計
預應力相關(guān)節點(diǎn)是在桁架單K節點(diǎn)的基礎上，需要考慮預應力工藝的節點(diǎn)，所有節點(diǎn)構造設計除了要滿(mǎn)足單K節點(diǎn)的要求，還要滿(mǎn)足預應力工藝的施工、受力要求。
預應力相關(guān)節點(diǎn)構造優(yōu)化：
1）考慮預應力施工工藝，在桁架節點(diǎn)處設置拉索導管，保證了鋼絞線(xiàn)穿入不受節點(diǎn)內加勁板的影響；在轉向處設置導向管，保證了鋼絞線(xiàn)能夠平緩、自然過(guò)渡；在上弦離節點(diǎn)兩端開(kāi)設導索工藝孔，保證了鋼絞線(xiàn)穿入的連續性。
2）拉索張拉后，在轉向處產(chǎn)生很大的徑向作用力，在錨固端產(chǎn)生很大的局部壓力，均需要進(jìn)行局部加強。轉向處在拉索底部設置縱向支撐板，每隔300～500mm設置徑向加勁板。錨固端部在兩束預應力拉索之間設置豎向承壓板，與腹板共同承擔壓力，同時(shí)設置水平加勁板保證受壓板的局部穩定（圖13）。
圖13 預應力拉索節點(diǎn)構造（復雜節點(diǎn)構造優(yōu)化與制作）
3）預應力吊桿錨固在桁架下弦端部節點(diǎn)上，下部樓層吊重均需通過(guò)此節點(diǎn)傳遞到桁架上。為了減少節點(diǎn)受力的復雜性，降低加工制作的難度，將吊桿拉索錨固在節點(diǎn)腹桿上，并通過(guò)剪力傳遞樓層吊重（圖14）。
4）主桁架節點(diǎn)上設置兩道平行拉板與樓層吊桿節點(diǎn)連接，形成了特殊的拉板節點(diǎn)，拉板將部分樓層重量傳遞到節點(diǎn)上，為了避免弦桿的下翼板產(chǎn)生層狀撕裂，將弦桿腹板貫通向下延伸80mm與拉板對接，同時(shí)設置拉板節點(diǎn)域加強板，在節點(diǎn)內部對應位置設置加強板（圖14）。
圖14 預應力錨固及拉板節點(diǎn)構造
3.3.4 混凝土灌注工藝相關(guān)性設計
桁架內所有節點(diǎn)需要灌注混凝土，在桁架單K、雙K節點(diǎn)構造設計的基礎上，考慮混凝土灌注工藝，保證混凝土灌注的完整性、可達性、密實(shí)性。
1）在桁架節點(diǎn)腹桿對應的兩個(gè)密閉空腔內分別設置混凝土灌注孔，上弦節點(diǎn)的上翼板設置兩個(gè)ф140灌注孔；下弦節點(diǎn)的上翼板設置兩個(gè)方形（200mm×200mm）灌注孔。
2）桁架上弦、腹桿、下弦相互不貫通，且內部設置了大量的水平加勁板，形成了一個(gè)個(gè)相互獨立的密閉空間，為了保證桁架內混凝土全部灌注到位，在內部加勁板上設置了混凝土流淌孔。
3.3.5 預應力相關(guān)節點(diǎn)有限元計算分析
預應力拉索轉向處、錨固端受力復雜，為了準確把握節點(diǎn)的受力特點(diǎn)和影響因素，利用大型有限元軟件Ansys進(jìn)行分析，結果表明節點(diǎn)進(jìn)行局部加強處理后其受力性能得到了提高（圖15--圖17）。
1）節點(diǎn)有限元分析結果。
圖15 拉索轉向節點(diǎn)Mises應力MPa
圖16 拉索錨固節點(diǎn)（一）Mises應力MPa
圖17 拉索錨固節點(diǎn)（二）Mises應力MPa
2）結果分析：從節點(diǎn)等效應力云圖可以看出，最大等效應力出現在勁板交錯、小夾角的位置，節點(diǎn)區最大等效應力為329.058MPa。節點(diǎn)區翼緣板和腹板的等效應力都遠小于鋼材屈服強度，可見(jiàn)節點(diǎn)承載力完全滿(mǎn)足要求。
4 復雜節點(diǎn)相關(guān)性設計推廣
1）提出復雜節點(diǎn)定義及相關(guān)性設計內容。
2）結合廣博復雜節點(diǎn)的相關(guān)性設計，提出復雜節點(diǎn)相關(guān)性設計總體原則：充分發(fā)揮構件材料的強度，確保節點(diǎn)不先于構件破壞，構造簡(jiǎn)單、傳力直接，保證在各種作用下的安全性，同時(shí)滿(mǎn)足各交叉工藝的要求，且加工制作相對簡(jiǎn)單。
3）復雜節點(diǎn)域可以通過(guò)局部增加板厚，設置加勁板等措施提高承載力，也可以通過(guò)細部構造實(shí)現受力性能的要求（如釋放翼緣、焊接腹板實(shí)現只傳剪不受彎的受力要求；設置轉向支撐板承擔預應力拉索轉向引起的徑向壓力等）。
4）復雜節點(diǎn)設計要實(shí)現焊接的可達性，保證工廠(chǎng)加工制作的可實(shí)施性：箱形截面受力加勁板采用電渣焊保證四邊焊縫，構造加勁板在滿(mǎn)足構造要求的前提下采用三邊焊避免焊接死角；多向相交節點(diǎn)應從構造上避免焊縫重疊現象；厚板焊接采用合理的焊接剖口形式避免層狀撕裂；結合節點(diǎn)組裝順序設置加勁板。
參考文獻：
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