濟南奧體中心體育館鋼結構屋蓋節點設計

江 化 冰

(悉地國際設計顧問(深圳)有限公司，上海 200433)

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濟南奧體中心體育館鋼結構屋蓋節點設計

江 化 冰

(悉地國際設計顧問(深圳)有限公司，上海 200433)

對“強節點、弱構件”的意義進行了闡述，較為詳細的介紹了濟南奧體中心體育館鋼結構屋蓋節點的設計思路、設計方法，并介紹了節點計算荷載的選取和判斷節點是否達到“強節點弱構件”要求的方法，供工程設計分析參考。

支座節點，索桿節點，弦支穹頂結構

1 工程概況

本工程采用弦支穹頂屋蓋結構和下部混凝土筒體—框架結構及外網交叉柱編織筒體結構組成的結構體系，其中弦支穹頂由上部單層網殼和下部索桿張拉體系組成，整個屋蓋結構支承于周邊混凝土環梁上，弦支穹頂屋蓋組成如圖1所示。

節點在整個結構中起到連接結構構件，傳遞構件內力或變形使其共同承擔、傳遞荷載的關鍵作用，節點設計的是否合理、節點承載力的高低直接影響到結構所承擔的荷載是否能夠有效地傳遞，一個結構構件設計的不論多大、多強，如果節點承載力不足，荷載、內力及變形等也無法有效傳遞，結構構件也就起不到應有的作用，因此從某種意義上說節點要比構件更加重要。針對濟南體育館弦支穹頂屋蓋結構，選取其中關鍵節點進行設計分析，節點選取位置示意圖如圖2所示。

1)支座節點A。

2)單層殼節點B。

3)索桿—單層殼相連節點C。

4)索桿節點D。

2 節點設計原則及目標

節點設計原則：構造簡單、傳力直接，主次分明，主要構件連通、豎向構件連通。要注意的是構件受力大未必為主要構件。

節點設計達到目標：強節點弱構件。

所謂強節點弱構件指的是節點承載力大于構件承載力，構件破壞先于節點破壞，構件破壞并不一定就是構件強度破壞，還可能屬于屈曲破壞，此外還可以看作整體結構的破壞。強節點弱構件的意義就在于可以發揮構件的承載能力，實現構件的延性，進而實現結構整體的延性。如果節點達不到強節點弱構件，則結構構件不論多大、多強，也起不到應有的作用，無法實現構件的延性，也就無法實現結構的延性。

3 節點設計

3.1 支座節點

3.1.1 支座節點設計

本結構支座節點所連接的單層殼構件共有4根，為377×16圓管，分別來自四個不同方向，索則來自于第五個方向，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，決定采用焊接球節點如圖3所示。

此節點構造如下：索由豎向肋板連接，同時豎向肋板起到與焊接球緊密連接同時兼加勁肋的作用，徑向鋼管與焊接球連接，環向鋼管則與徑向鋼管和焊接球相貫連接。這樣鋼管與索通過豎向肋板和焊接球緊密地連接到一起，傳力路徑簡單可靠，節點構造如圖4所示。

3.1.2 支座節點計算

節點設計目標是強節點弱構件，由于與上部結構相連的是混凝土環梁，而混凝土環梁的配筋是由最大內力計算所得的，混凝土環梁的強度可以認為比最大支座反力稍大，因此節點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，將其內力施加于節點各構件進行節點分析。

節點構件施加內力如下：

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;

環向鋼管：壓力810 kN。

經有限元分析節點Von-mises應力云圖如圖5所示。

由圖5應力云圖可見：在支座反力最大工況下，節點應力除局部應力集中點達到238 MPa外，其余大部分區域應力均在150 MPa以下，整個節點承載力完全可達到2倍反力最大工況下的荷載，達到強節點弱構件，可以保證結構安全。節點施工后的圖片如圖6所示。

3.2 索桿—單層殼相連節點

索桿—單層殼相連節點實際上就是單層殼節點與索桿相連，因此可以認為索桿—單層殼相連節點的設計已經包含了單層殼節點的設計，因此本文略去單層殼節點B的設計，直接進入索桿—單層殼相連節點C的介紹。

3.2.1 索桿—單層殼相連節點設計

此節點由構成單層殼的6根各方向鋼管和構成索桿體系的索、桿組成，由于本屋蓋結構單層殼作用相對主要，而索桿體系相對次要，因此本節點設計應首先考慮單層殼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根環向鋼管，其中徑向鋼管在單層殼中作用更重要，因此應首先考慮徑向鋼管的連接，保證其連接的可靠性。由于4根鋼管來自于4個不同方向，無法貫通，因此4根鋼管在節點處均截斷連接，對于這樣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向鋼管的連接，此處可以采用相貫的連接方法，將環向鋼管相貫于徑向鋼管上，節點設計時將十字肋的橫向加勁肋延長，使得環向鋼管的一部分內力通過橫向肋板直接傳遞到節點的另一邊，減少了環向鋼管對徑向鋼管的影響，同時加強了節點同環向鋼管的連接，做到了傳力直接，連接可靠，而且對主要受力構件影響小，單層殼節點如圖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，由于索與桿的銷節點同處于一塊肋板，因此索的豎向力可以通過肋板直接傳遞給豎桿，而不必再通過其他構件傳遞，索、桿內力不能平衡的部分又通過十字肋板直接傳遞到了6根鋼管上，做到了傳力直接、簡單明確，索桿—單層殼相連節點最終模型圖如圖8所示。

3.2.2 索桿—單層殼節點計算

由于本節點所連接構件較多，無法給出一種較簡單的組合來驗證強節點弱構件，因此本節點的分析選取了構件內力最大荷載工況下的構件內力作為荷載。

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，長度為11 150 mm，材料為Q345，屈曲荷載1 022 kN)。

經有限元分析，節點Von-mises應力云圖如圖9所示。

由上面分析可見，節點除局部陰角區應力達到220 MPa外，節點大部分區域應力在110 MPa以下，考慮節點應力塑性發展，節點承載力可以達到所施加荷載的3倍以上，可以達到強節點弱構件的要求，節點施工后如圖10所示。

3.3 下部索桿節點

3.3.1 下部索桿節點設計

下部索桿節點構件較少，僅由斜索、豎桿和環索組成，斜索和豎桿內力均為軸向力，其連接部位均為構件端部，其連接方式也較簡單，斜索可采用銷連接，豎桿則可采用相貫焊或者肋板連接，而環索則較復雜，因為環索在節點處所貢獻內力是通過索的橫向接觸面傳遞的，而且索在節點處是保持連通的。由于環索是通過橫向接觸面傳遞內力，因此節點與環所接觸部位應為一個面，為了增大接觸面，減小接觸面的壓應力，接觸面可按索的外尺寸設計成為圓形槽狀，由于環索在節點處有10°的轉角，為了避免尖銳的轉角，造成環索損壞，圓形槽應設計成圓弧狀。如圖11中體a所示，為了將環索固定，設計體b與體a相配套，可通過螺栓將體b固定于體a上將索夾緊固定，考慮到加工方面的因素，節點最終采用的是鑄鋼節點，節點有限元模型圖如圖12所示。

3.3.2 下部索桿節點的計算

此節點受力體系較簡單，屬于靜定力系，節點計算分析施加荷載應為使節點所連接構件之一達到破壞時的荷載，經分析隨著荷載的增加豎桿會因屈曲而首先達到破壞，此時豎桿壓力為1 023 kN，斜索拉力為2 333 kN，環索拉力為12 032 kN。

經有限元彈塑性分析，節點破壞荷載時的荷載為豎桿屈曲時荷載的1.12倍，達到了強節點弱構件的要求，節點在豎桿屈曲時的Von-mises應力云圖如圖13所示，節點施工后如圖14所示。

4 結語

1)“強節點弱構件”指的是節點承載力大于構件承載力，構件破壞先于節點破壞，這里的破壞不一定是強度破壞，還包括屈曲等其他形式的破壞。

2)節點設計應構造簡單、傳力直接，分清主次，主要構件連通、不壞，豎向構件連通、不壞，構件受力大不等于主要。

3)支座節點設計時，節點承載力富裕量較大，主要是因為支座節點相當于屋蓋結構的基礎，基礎牢固結構才能發揮其應有性能，基礎不穩，結構設計再好、再強，也只能是浪費材料。

4)關于主要構件與次要構件，受力大并不一定等于主要。本屋蓋結構環向桿件在某些部位受力要大于徑向桿件，但并不能說明環向桿件要比徑向桿件重要，區分構件重要性簡單辦法是將此構件去掉，看對結構性能的影響，在本屋蓋結構中如果將環向構件去掉，結構仍然可以正常工作，但如果將徑向構件去掉，則剩余構件已經無法成為結構了，徑向構件重要性是不言而喻的。

5)節點的受力離不開結構，在進行節點受力分析時，應考慮實際結構整體的工作狀態。

[1] GB 50017—2003,鋼結構設計規范[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

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