懸掛式鋼結構拉索連接節點的研究

賈海波，郭 寧，王 超，王云升

（中建八局第二建設有限公司，山東 濟南 250014）

索結構作為現代大跨度建筑結構的主要形式之一，已在國內外大型工程項目中得到廣泛應用。建筑索結構在我國的應用已有數十年歷史，近十幾年來，它得到了迅速的發展和大量的推廣應用。索結構節點在索結構施工中尤為重要，其一直作為影響索結構施工安全與質量的重要因素，通過對國內大量的索結構工程的連接節點的深入研究借鑒，成功的研制出懸掛索坡道節點。

某項目屋蓋采用鋼桁架結構，地面以上觀景螺旋坡道采用索體懸掛結構，項目采用索結構固定室外螺旋坡道，索體為鋼拉桿，。該懸掛拉索結構不同于一般索結構，除兩端張拉固定外，拉索中間節點還需要支撐坡道鋼梁，為保證實際施工拉鎖施工質量，項目決定采用分段式鋼拉索，另外拉索鋼坡道無法直接相連，需采用專門的構造節點將兩端鋼拉索與鋼坡道三者之間連接。這樣拉索除在索中節點位置承受坡道豎向集中荷載，拉索節點還要承受坡道橫向荷載，并需要一定的剛度以滿足水平變形要求。需要對懸掛坡道拉索的節點進行細致的受力研究。

1 研究概況

1.1 索體連接節點設計原則

索體與其它構件或結構無法直接相連，需采用專門的節點構造。目前主要通過在拉索端頭設置連接環或螺桿連接件等方式與主體結構連接。實際工程中的節點構造需考慮制作工藝和安裝的要求，節點的剛度、嵌固能力等有時難以達到與計算假定一致，所以在結構分析和設計時應考慮到節點剛度或變形的影響。拉索節點的設計應遵循以下原則。

（1）索-索-構件連接應盡量對中、無偏心。

（2）索的連接應確保索不能滑動。

（3）索-索的連接件按與索等強設計。

（4）索-構件的連接件可按實際受力進行設計，關鍵節點的連接件宜按與索等強設計。

圖1 鋼拉桿節點詳圖

1.2 拉索節點形式

由于該項目拉桿與構件與結構無法直接連接，需采用專門節點構造，項目與設計開會交流，參考了國內大型鋼結構工程節點方式，如中國航海博物館鋼拉桿節點、寶雞游泳體育館典型鋼拉桿節點、寶安體育場鋼拉桿節點詳圖、鄂爾多斯市伊金霍洛旗全民健身中心鋼拉桿節點等，設計了科技館鋼拉桿新的節點形式。

拉桿連續貫通節點，與拉桿相連的H形鋼梁下翼緣支撐在鋼拉桿下部的支托上，上翼緣通過緊固件與拉桿固定，為減少節點變形的影響，在支托與鋼梁間、拉桿與H形鋼梁的套筒間均設置橡膠墊層。橡膠墊層與其余各構件間能夠傳遞法向壓力和切向摩擦力、不傳遞法向拉力。

1.3 拉索節點分析方法研究

1.3.1 幾何模型建立方法

確定節點形式之后，組織對節點的受力進行分析。首先，利用AutoCAD軟件對節點進行三維建模，H形鋼梁截取至與節點外相連的連接板處，中間鋼拉桿不斷開，穿過H形鋼梁。將AutoCAD 中的三維模型輸出為“.sat”格式的文件。導入至Ansys有限元軟件中。

1.3.2 單元類型選擇

對鋼拉桿、錨具、H 形鋼梁以及橡膠墊板，選擇20節點的3D實體單元進行有限元模擬。對橡膠墊板與其余構件間的接觸面，由于只能夠傳遞法向壓力和切向摩擦力而不能夠傳遞法向拉力，采用3D8節點面面元 Conta174模擬橡膠墊板的接觸面，采用3D目標元Targe170模擬其余構件的接觸面。

對節點，在有限元計算時，荷載施加在H形鋼梁的截斷面上，面荷載采用3D結構表面效應單元 Surf154。

1.3.3 網格劃分

采用自由劃分的方式對圖4所示的幾何模型進行網格劃分，為了減小計算時間，將H形鋼梁分為網格加密區、普通區兩部分。

1.3.4 約束與荷載施加方法

根據節點實際受力情況，假定鋼拉桿一端固定、一端自由，對拉桿+y方向的端部截面施加全約束，對其-y方向的端部截面不施加約束，對無約束截面施加垂直于該面并指向-y方向的預拉力。分析最不利工況下受力狀況。

1.3.5 計算結果與分析

（1）節點整體：拉桿節點整體應力云圖，由圖可見：H形鋼梁的應力值明顯小于拉桿的應力值，+y方向拉桿應力值要大于-y方向拉桿的應力值（僅指下圖中可見的兩段拉桿），主要原因是除拉桿預拉力外，H形鋼梁所受剪力均指向-y方向；故此處的應力較大。

圖2 拉桿節點整體應力云圖

（2）錨具與拉桿：沿yoz面將拉桿和錨具剖開，就拉桿整體而言，以y軸為中心，應力沿拉桿橫截面均勻分布；對于H形鋼梁套筒范圍內的拉桿，以xoz面為對稱平面，±y方向拉桿應力分布基本對稱；

對于錨具范圍內的拉桿，由于截面突變，與相鄰鋼拉桿段相比，應力發生突變。

（3）H形鋼梁與橡膠墊板：項目通過分應力云圖，發現H形鋼梁截斷面上下翼緣及轉角等截面突變處應力較大，以yoz面為對稱平面，±x方向的應力呈對稱分布；最大Mises應力出現在+y方向H形鋼梁截面的上翼緣加載位置，其值為265.42MPa，小于鋼材的屈服強度。且這主要為應力集中和加載片的邊緣效應產生的，對結構受力不產生影響。

沿yoz面將H形鋼梁剖開，由切面應力云圖H形鋼梁上翼緣套筒邊緣應力值很小，不超過5.00MPa，而下翼緣相應區域應力值較大，60MPa左右。

圖3 整體應力云圖

（4）變形計算結果與分析：沿yoz面將拉桿節點剖開，H形鋼梁位移較大，最大可達1.98mm，-y 方向；橡膠墊板的位移值小于前者，最大可達 1.70mm，-y方向。

-y 方向橡膠墊板變形較大，而+y 方向橡膠墊板及拉桿、H形鋼梁等變形很小，基本為零。結合圖8，可得：H形鋼梁截斷面受到-y方向外荷載作用，其位移值比±y方向錨具的位移都要大，致使兩者之間的橡膠墊板在+y方向脫離而-y方向受到擠壓，造成+y方向橡膠墊板變形很小而-y方向橡膠墊板變形較大。

2 結語

該項目一方面通過借鑒國內大型鋼結構工程的節點尋找靈感，另一方面考慮鋼結構坡道與索體之間連接如采用剛性連接容易出現破壞，采用鉸接可以釋放結構產生應力，項目通過與設計協商成功的研發了拉索連接節點，該節點具有減震、可調節的優點，有效的解決了索體與螺旋鋼結構坡道之間的連接，保證了節點的穩定，吸收變形產生的多余能量，具有良好的減震效果，有效減少節點變形，同時對于類似索體結構節點設計亦有很強的借鑒經驗。