“莫比烏斯環”多樣式不規則曲率桁架復雜節點控制技術

呂洋 張文斌 李成銘 方守建 張宏宇

（中國建筑第八工程局有限公司鋼結構工程公司 上海 200125）

1 工程概況

中央美術學院青島校區位于青島市黃島區唐島灣南岸西側，銀沙灘路以西，西環島路以北，西海岸藝術灣以東。工程總建筑面積約為11.9萬m2，涵蓋教學樓、實驗室、圖書館、教職工公寓樓、食堂、學生宿舍、禮堂和相關設備用房等區域。

本工程鋼結構主要分布在鋼連橋、宿舍樓、公寓樓屋面部分，主要包括圓管柱、箱型柱、桁架、箱型梁、弧形鋼梁、螺栓球等構件類型，總噸位約15 000 t。

連橋地下一層，地上五層，高度24 m，交通體通過跨層桁架連橋進行連接，桁架高度8.6 m，最大跨度73.5 m，總噸位約14 500 t。

圖1 項目效果圖

禮堂網架、宿舍樓、公寓樓屋面主要包括螺栓球、圓管柱和弧形方管梁，總噸位約500 t。

2 施工特點與難點

本項目連橋結構類型屬于鋼框架結構，跨層桁架截面高度達8.6 m，跨度最大73.5 m，屬于超過一定規模的危險性較大的分部分項工程。

本項目連接節點多且復雜，并且裝配空間小，難操作。主要體現在以下幾個方面：

（1）連接結構較多，包括腹桿、弦桿、垂直支撐桿件等多方向連接結構。

（2）連接角度多變，曲率難控制。

（3）重要節點處都為一級熔透焊縫，對焊接工藝要求高，避免焊接過程中變形現象產生。

（4）牛腿及加勁板數量較多，焊接空間較小，對焊接工藝及組裝工序提出極大挑戰。

（5）大桁架斜撐節點內力較大、受力復雜、桿件數量多、交匯角度小，為了保證結構的安全性并方便施工，支撐和柱子最終采用相貫焊接的連接形式。

圖2 復雜節點示意圖

節點處施工工藝流程如下圖3所示。

圖3 節點施工工藝流程圖

3 有限元分析

由于本項目采用獨特的“莫比烏斯環”結構，造型獨特，曲率多變且節點復雜，為保證復雜節點結構受力均勻合理，我們先進行有限元實體建模，對建好的模型通過ANSYS軟件進行彈塑性分析[1]。

從節點應力云圖中可以看出應力最大值出現在節點核心區域，通過有限元彈性計算[2]：

式中：σZS——折算應力，按式（2）計算；

σ1、σ2、σ3——計算點處的第一、第二、第三主應力；

βf—折算應力的強度設計值增大系數。當計算點各主應力全部為壓應力時，βf=1.2；當計算點各主應力全部為拉應力時，βf=1.0，且最大主應力應滿足σ 1≤1.1f；其他情況時，βf=1.1；

γre—有地震作用組合時的節點承載力抗震調整系數，取0.9。

通過計算可得出各節點在最不利荷載組合條件下，其應力范圍均處于彈性階段，未發生塑性破壞,并且該復雜節點處主要受壓力，主拉應力較小。

圖4 鋼材整體主拉應力圖

圖5 應力最大位置

4 節點優化

4.1 復雜節點壁厚優化

最初設計方案將節點區柱壁厚確定為40 mm，通過應力云圖顯示，應力過大。通過不斷增大壁厚確定多個方案，隨著柱壁厚不斷增加，應力不斷減小，在確保安全的前提下選擇最優方案，控制施工成本，最終確定最佳壁厚設置方案為60 mm壁厚。

圖6 鋼柱不同壁厚應力圖示

4.2 柱勁板澆注孔徑優化

最初設計方案將節點區柱勁板澆注孔徑確定為650 mm，通過應力云圖顯示，應力過大。通過不斷減小澆注孔確定多個方案，隨孔徑增加，應力減小，最終確定最佳澆筑孔徑設置方案為350 mm。

圖7 鋼柱不同澆筑孔徑應力圖示

5 質量控制

5.1 鋼板材料控制

本工程鋼結構構件材質主要采用Q355B鋼材，其符合現行國家質量標準《低合金高強度結構鋼》(GB/T1591-2018)及《碳素結構鋼》（GB/T700-2006）的要求，且鋼材還應滿足下列要求：

(1)屈服強度實測值與抗拉強度實測值的比值≤0.85，具有明顯的屈服臺階，且伸長率≥20%

(2)鋼材沖擊韌性合格且焊接性能良好；

(3)鋼材應滿足抗拉強度、伸長率、屈服強度和硫磷含量要求，且碳含量及冷彎實驗必須合格；

5.2 焊接材料控制

(1)焊接與材料選擇應根據母材的力學性能、化學成分、焊接性能并結合構件的焊接方法、結構特點及使用條件綜合考慮，必要時需通過試驗確定。

(2)焊縫金屬的性能不僅要高于或等于相應母材標準規定值的下限或滿足圖樣規定的技術條件要求，并且要符合當前行業標準《鋼結構焊接規范》(GB50661-2011)及其他相關現行國家及行業標準要求，兩種不同鋼材相連時采用與低強度鋼材力學性能相適應的焊材[3]。

(3)通常采用碳鋼焊條的E50系列焊接Q355鋼構件，采用低氫型E5515、E5516系列焊接直接承受動力荷載或振動荷載、厚板焊接的結構。

(4)必須與主體鋼材力學性能相適應的焊絲與焊劑進行自動或半自動焊接，且符合現行國家標準規定。所購焊接材料必須具有鋼廠和焊材生產廠家出具的質量證明文件或檢驗報告，其化學成分、力學性能、拉力實驗、熔焊點拉伸強度及其它質量要求必須符合國家的相關標準。

(5)要對進場焊接材料按現行國家標準進行相關復驗，經實驗合格并按說明書上所列采取相應烘焙措施后，方可現場使用。

(6)焊條外觀不可出現藥皮脫落、焊芯生銹等缺陷，且焊劑不可受潮結塊。

5.3 原材驗收

(1)驗收方式：針對工程的復雜性、材料多樣性、焊接施工要求高等特點，對進場工程材料采取聯合驗收的方式。

(2)驗收內容及過程：采購鋼材應詳細檢查鋼廠出具的檢驗報告和質量證明文件，其化學組成、力學性能和其他質量要求必須符合國家現行標準規范，且其質量證明文件上的爐批號應與鋼材實物上的標識必須一致，否則不得進場。按鋼管、型鋼和鋼板尺寸及公差要求，采取抽煙檢測方式；對不同規格鋼板，檢查其長度、寬度、厚度及平整度等，并檢查鋼管、型鋼及鋼板的外觀質量[4]。材料進場具體檢驗內容、方法、要求及檢驗過程如表1所示。

表1 材料驗收內容

6 復雜節點加工制造

圖8 組裝步驟及說明

在鋼結構工程中，要求依據設計圖紙標注尺寸及構件加工制造工藝要求尺寸通過三維設計軟件進行放樣處理。首先標注尺寸打印加工圖，隨后往相應的車間下料，最后進行加工制造。在本項目施工過程中，對于復雜節點空間的構件必須要放樣，并對加工人員進行技術交底，避免加工出錯。

焊接前應對重要節點進行檢查，將誤差控制在允許范圍內。焊接時要保證雙面對稱焊接，且采用先長后短，由里向外的順序進行焊接作業[5]。

為保證精度，在將牛腿與主體結構焊接時采用定位板方式先定位后焊接，可以將誤差控制在允許范圍內[6]。最后在焊接完時將定位板等輔助結構拆除并打磨光滑，為工程現場安裝奠定良好基礎。

7 結語

本文采用有限元分析，得出復雜節點在最不利荷載條件下，其應力范圍均未超出彈性階段，不會發生塑性破壞，證明其節點安全性及合理性。深化設計過程中，對復雜節點進行測算優化，最終得出柱壁厚為60 mm時性能最佳，澆筑孔徑為350 mm時性能最佳。

從原材到焊接次序及加工組裝方式把控施工過程，保證后續安裝過程的高效性。為多樣式不規則曲率桁架鋼結構施工積累了豐富的經驗。