大跨度钢屋盖铸钢节点

yingfeng201973

大跨度钢屋盖，由于结构不连续、大悬挑、曲面造型复杂且平面尺度超限使得钢屋盖空间受力异常复杂，其中柱分叉节点、柱顶多杆节点采用了铸钢节点型式。
8 B) B  g6 g( x' n: n4 J工程钢屋盖南北长358m不设变形缝，呈大瀑布造型，屋盖开洞达1800 平方米、顺轨向最大跨度达 86m，最大悬挑约30m，结构不连续、大悬挑、曲面造型复杂且平面尺度超限使得钢屋盖空间受力异常复杂。为控制屋盖在开口处的变形、提高屋盖的整体性，选用四角锥网架结构体系，瀑布区采用分叉柱支撑网架以减小屋盖的悬挑长度，结合建筑美观要求及节点受力复杂的特点，柱分叉处采用铸钢件，分叉柱柱顶多杆节点采用半铸造半相贯焊连接，铸管间设置数道加劲连接板，形成半铸造半焊接组合的杂交本体，最多达10根网架杆件与铸造本体相连接。铸钢节点为关键受力节点，空间受力复杂且分叉柱柱顶多杆节点半铸造半相贯焊连接形式为首次提出，有必要进行试验验证及有限元数值分析研究。
主要铸钢节点类型分为柱顶多杆节点、柱二分叉节点、柱三分叉节点，钢管材质为 Q345GJ、Q345B，铸钢材质为G20Mn5N。铸钢节点内设置肋环、肋板等加强构造。柱顶多杆节点中1杆外径1200mm、2 杆外径 800mm；柱分叉节点中 1 杆外径 1500mm，2 杆、3 杆、4 杆外径 1300~1400mm。铸管的壁厚结合受力及铸造工艺的构造要求确定铸钢节点受力性能良好，安全储备足，可有力的保证工程质量。
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. b$ f4 f0 ^7 p分叉柱
分叉柱的下端与主体结构连接于一点、上端与屋盖多点连接，从而达到在减小跨越结构跨度的同时提高屋盖抗侧刚度的目的。分叉柱对屋盖抗侧刚度的作用是由分叉柱轴向刚度的水平分量及柱顶与屋盖多点连接形成的整体刚接效果二部分组成。分叉柱有 V 形柱、Y 形柱、树状柱和伞状柱等多种形式，可以营造出丰富的室内表达效果。
(1) V 形柱
5 O$ }1 `: f3 s柱在平面内的双肢分叉便形成 V 形柱，V 形柱的分肢较多做成二端铰接，也可以双肢在底部相互间刚接后再与下部主体结构铰接，当双肢的柱顶间有很强的连接时，这二种方式对分肢截面的需求相差不大；而当连接较弱分肢间叉开趋势明显时，第二种连接方式下柱下部的受弯明显，需要更大的截面。

(2) Y 形柱
柱下部先单肢上升一段以减小对下部建筑布置和人行流线的干扰、然后再分叉为两肢，便成了 Y 形柱。主次三肢位于同一平面，三肢间通常相互刚接、与顶部屋盖通常铰接。当 Y 形柱与底部主体结构当采用铰接时，三肢连接处需承受的弯矩最大，因此需要较大的截面；与底部主体结构刚接时，柱底需要截面最大。所有的铰接端都可以收小。Y 形柱也可以是下肢为刚度足够大的悬臂段、两个上分叉肢如前述 V 型柱般设置。
) D" x2 q5 `( N4 b) ?(3) 树状柱
% |5 p% v& s* UV 形柱或 Y 形柱的分肢在三维空间内分布便形成树状柱，合理的分叉位置和适当的肢间角度关系是树状柱设计的关键。为了更具象的树形的表达，树状柱可以多级分叉，并通过拓扑优化的方式寻找受力更高效的树形；在树状柱负荷较小的情况下，也可以对分肢进行一定程度的弯曲，通过适当牺牲结构效率换取更丰富的形态图。柱分肢处经常会用到铸钢节点以实现杆件间自由的交接。
4 L7 ~# q# i& f" H: V% Z; }2 C! P. {(4) 伞状柱
当树状柱的分肢数量较多、平面上沿圆弧分布时便形成了伞状柱。当其分肢一定程度的弯曲时，分肢间可以设置一定的环向构件协调各肢的变形并改善各肢的受弯情况。当伞状柱的受荷面积较大时，对各分肢截面的需求也会较大
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泰州体育公园体育场是车辐式索承网格结构在大跨空间结构中的又一例作，该体系韵律强，空间效果佳，具有良好的经济性、安全性和适用性。本项目钢屋盖与混凝土看台完全脱开，且在东立面设置了120m的大开口，具有自己的一些设计特点，通过前述分析，得到如下结论：
1、泰州体育场钢结构由车辐式索承网格屋盖、竖向支承体系、和立面表皮单层网格结构三部分组成，结构构成清晰，传力明确，建筑美观通透。
- ]5 e% `8 `$ l. q2、东立面的大开口虽对竖向支承体系的整体性进行了削弱，但通过设置巨形桁架拱，能较好的减弱此影响。
5 c  g+ o5 M: O. U4 c9 f3、对结构进行了线性屈曲分析及双非线性分析，结构具有足够的整体稳定承载力，在实际使用过程中不会发生整体失稳破坏。
4、选取关键节点进行实体有限元分析，通过计算结果指导节点设计，保证节点连接的安全可靠。
; P: h$ A+ d& S- |1 y5、对结构进行各荷载工况下的计算，结果表明结构变形、杆件应力比均能满足规范要求。通过动力特性分析，得到了结构频率和振型的分布规律。


节点是钢结构的重要部位，在传递梁柱弯矩和剪力等方面起着关键性的作用。因此，梁柱节点性能也决定了钢结构的整体力学性能。对于装配式钢结构而言，常常会采用制作简便、施工方便、商品化程
度较高的高强度螺栓端板连接节点。这种节点形式也是我国现行钢结构规范中推荐使用的节点形式。研究表明，高强螺栓端板连接的节点根据其弯矩-转角的关系，应该归类为半刚性连接，其具体的力学性能
与节点的构造，使用材料，受荷载情况等因素有关，荷载传递路径也较为复杂，同时，为了施工的需要，全栓接节点使用的螺栓一般为单向螺栓。单向螺栓可以在不破坏闭口截面的前提下在外侧起到固定和连
接的作用，能够方便快捷地应用于全栓接结构，是一种简单、高效的节点连接形式。
为了推动全栓接节点的普及和使用，国内外学者们做出了很多有益的探索。个 H 型钢梁柱端板连接大尺寸试件的单调加载抗弯试验，以及相关材性试验和高强螺栓抗滑移系数试验，
研究了端板螺栓连接的破坏机理，探索了这种连接下弯矩-转角曲线的数学模型。 建立了方钢管柱-H 型钢梁连接节点的三维非线性有限元模型，以拟静力的试验数据验证了该连接节点的破坏模式
7 g. I! W- b1 {  S7 B6 |以及构件对节点性能的影响。在单向螺栓的应用方面，采用有限元模拟了单向螺栓的拉伸和剪切试验，并建立了该螺栓在拉力与剪力共同作用下的有限元模型，得到了多种类型单向螺栓各自承载力拉剪关系图。基于不同的构件形式与不同的荷载工况，对全栓接节点的力学性能和破坏模式展开了大量的研究。本文在前人研究基础上，针对变电站采用的低层装配式框架钢结