摘 要:廣博節(jié)點(diǎn)不僅受力復(fù)雜,而且加工制作影響因素多,現(xiàn)場施工需要考慮交叉工藝。本文通過分析廣博節(jié)點(diǎn)特點(diǎn),提出了復(fù)雜節(jié)點(diǎn)概念及總體設(shè)計(jì)原則;結(jié)合梁柱節(jié)點(diǎn)、吊桿節(jié)點(diǎn)、桁架節(jié)點(diǎn)相關(guān)性設(shè)計(jì),介紹了復(fù)雜節(jié)點(diǎn)相關(guān)性設(shè)計(jì)內(nèi)容和思路,供類似工程節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)參考。
關(guān)鍵詞:復(fù)雜節(jié)點(diǎn);相關(guān)性設(shè)計(jì);構(gòu)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(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),外圍護(hù)立面墻體系。其節(jié)點(diǎn)類型主要有:鋼管混凝土柱與框架梁的連接節(jié)點(diǎn)、吊桿與樓層梁的連接節(jié)點(diǎn)、主桁架節(jié)點(diǎn)及預(yù)應(yīng)力相關(guān)節(jié)點(diǎn)等重要節(jié)點(diǎn)(圖1)。
圖1 結(jié)構(gòu)整體及剖面(復(fù)雜節(jié)點(diǎn)構(gòu)造優(yōu)化與制作)
梁柱節(jié)點(diǎn):布置于核芯筒體混凝土剪力墻內(nèi)的鋼管柱(直徑650mm直縫鋼管)與樓層結(jié)構(gòu)對應(yīng)標(biāo)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(jié)點(diǎn)(圖2)。
吊桿節(jié)點(diǎn):在5~6層懸臂桁架內(nèi)外設(shè)置吊桿,懸掛3~4層樓面體系。外圍主要設(shè)置DG1(口650×650)吊桿,內(nèi)有四束121φp7預(yù)應(yīng)力拉索;內(nèi)圍主要設(shè)置DG2(φ299)鋼管吊桿,內(nèi)有一束121φp7預(yù)應(yīng)力拉索。吊桿與樓層梁(口1000×650、H700×300)連接形成吊桿節(jié)點(diǎn)(圖3)。
圖2 梁柱節(jié)點(diǎn) 圖3 吊桿節(jié)點(diǎn)
桁架節(jié)點(diǎn):5~6層懸臂桁架體系是本工程的主
要受力系統(tǒng)。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(nèi)設(shè)預(yù)應(yīng)力索,下弦、腹桿及節(jié)點(diǎn)內(nèi)灌注混凝土。桁架節(jié)點(diǎn)主要分為:下弦雙向交叉的雙K節(jié)點(diǎn),桁架平面內(nèi)單K節(jié)點(diǎn)兩類。其中與預(yù)應(yīng)力相關(guān)的主要節(jié)點(diǎn)有:端部預(yù)應(yīng)力索錨固節(jié)點(diǎn),預(yù)應(yīng)力索轉(zhuǎn)向節(jié)點(diǎn)等(圖4)。
圖4桁架節(jié)點(diǎn)(復(fù)雜節(jié)點(diǎn)構(gòu)造優(yōu)化與制作)
2 復(fù)雜節(jié)點(diǎn)相關(guān)性設(shè)計(jì)原則
復(fù)雜節(jié)點(diǎn)是指節(jié)點(diǎn)受力復(fù)雜、內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜、加工制作工藝復(fù)雜、安裝施工工藝難的節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)不僅要保證節(jié)點(diǎn)在各種受力工況下的安全性,還要滿足加工制作工藝和安裝施工工藝的可實(shí)施性。
2.1復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)
廣博項(xiàng)目中,復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)是:
1)節(jié)點(diǎn)受力復(fù)雜。本工程結(jié)構(gòu)體系具有三大特點(diǎn):懸掛結(jié)構(gòu)、組合結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu),在三種受力體系的共同作用下其節(jié)點(diǎn)受力異常復(fù)雜,需要針對不用的受力特點(diǎn)分別設(shè)計(jì)。
2)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)交叉工藝影響多。桁架內(nèi)、吊桿內(nèi)設(shè)置了預(yù)應(yīng)力拉索,梁柱節(jié)點(diǎn)、桁架下弦、腹桿及節(jié)點(diǎn)內(nèi)需要灌注混凝土,這些施工工藝都影響著節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造設(shè)計(jì)。
3)制約因素多。有些節(jié)點(diǎn)翼板需要整體下料,復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造限定了結(jié)構(gòu)的分段,大量節(jié)點(diǎn)需要在工廠制作成為整體,不僅使深化設(shè)計(jì)、構(gòu)件加工難度大,同時(shí)給構(gòu)件的運(yùn)輸和鋼結(jié)構(gòu)安裝帶來困難。
4)節(jié)點(diǎn)超大、超重、超厚。本工程最大節(jié)點(diǎn)尺寸為4800mm×4800mm×3100mm,重達(dá)43.5t,最厚板件為80mm。
2.2復(fù)雜節(jié)點(diǎn)相關(guān)性設(shè)計(jì)原則
針對本工程節(jié)點(diǎn)特點(diǎn),結(jié)合制作工藝、施工安裝方法及節(jié)點(diǎn)受力性能對本工程的復(fù)雜節(jié)點(diǎn)構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。充分發(fā)揮構(gòu)件材料的強(qiáng)度,確保節(jié)點(diǎn)不先于構(gòu)件破壞,構(gòu)造簡單、傳力直接,保證其在各種荷載作用下的安全性,同時(shí)滿足各交叉工藝的施工要求,且加工制作相對簡單。
3 復(fù)雜節(jié)點(diǎn)相關(guān)性設(shè)計(jì)
3.1梁柱節(jié)點(diǎn)相關(guān)性設(shè)計(jì)
梁柱節(jié)點(diǎn)為了保證鋼管柱內(nèi)灌注混凝土的連續(xù)性,取消內(nèi)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(qū)域內(nèi)梁柱節(jié)點(diǎn)箱形截面鋼梁內(nèi)需要灌注混凝土。根據(jù)以上節(jié)點(diǎn)特點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)性設(shè)計(jì)如下:
1)鋼管柱內(nèi)取消內(nèi)環(huán)加勁板,在節(jié)點(diǎn)牛腿上下翼緣設(shè)置環(huán)向布置的補(bǔ)強(qiáng)加勁板,增強(qiáng)鋼管柱的局部強(qiáng)度。截面尺寸大的箱形截面牛腿翼緣板整板下料,開孔鋼柱貫通,也增加了節(jié)點(diǎn)域的剛度(圖5)。
圖5 梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造示意(復(fù)雜節(jié)點(diǎn)構(gòu)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,通過設(shè)置兩道豎向加勁板或通過另外一個(gè)方向鋼梁的腹板將剪力傳遞到鋼管柱上。這樣傳力路線明確且工廠加工制作簡單易行。
3)核心筒內(nèi)鋼管柱及節(jié)點(diǎn)區(qū)箱形梁內(nèi)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設(shè)灌注孔,在內(nèi)部加勁板上開設(shè)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設(shè)透氣孔。
3.2吊桿節(jié)點(diǎn)相關(guān)性設(shè)計(jì)
原吊桿節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為“只傳剪力,不傳彎矩”的鉸接節(jié)點(diǎn),吊桿尺寸為600mm×600mm,穿過樓層梁上下翼緣板(與翼緣板不連接)。剪力從樓層梁腹板通過兩道豎向加勁板傳遞到吊桿上,吊桿內(nèi)部節(jié)點(diǎn)域設(shè)置十字加強(qiáng)板;彎矩通過翼緣板繞過吊桿傳遞,實(shí)現(xiàn)了連續(xù)梁的作用。內(nèi)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(jié)點(diǎn)組裝順序也不能滿足要求,工廠加工制作難度極大(圖6)。
圖6 吊桿節(jié)點(diǎn)原設(shè)計(jì)方案(復(fù)雜節(jié)點(diǎn)構(gòu)造優(yōu)化與制作)
吊桿節(jié)點(diǎn)相關(guān)性設(shè)計(jì)具體如下:
1)節(jié)點(diǎn)經(jīng)優(yōu)化后改為剛接節(jié)點(diǎn),吊桿截面改為650mm×650mm,剪力直接通過腹板傳遞到吊桿(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(nèi)向外延伸50mm與腹板對接(圖8)。
(2)箱型梁上下翼緣整板下料,開孔保證吊桿貫通,同時(shí)上下翼緣在開孔范圍向外延伸300mm彌補(bǔ)開孔對其截面的削弱。
圖7翼緣板整板下料
圖8吊桿節(jié)點(diǎn)構(gòu)造示意(復(fù)雜節(jié)點(diǎn)構(gòu)造優(yōu)化與制作)
3)吊桿內(nèi)十字加勁板應(yīng)根據(jù)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(jié)點(diǎn)相關(guān)性設(shè)計(jì)
桁架節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)不僅要保證承載力的要求,還要結(jié)合工廠加工制作工藝、預(yù)應(yīng)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(jié)點(diǎn)相關(guān)性設(shè)計(jì)
單K節(jié)點(diǎn)相關(guān)性設(shè)計(jì)原則:1)在節(jié)點(diǎn)域?qū)⑾覘U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(shè)置豎向連接板,保證腹桿受力的有效傳遞,避免局部應(yīng)力的產(chǎn)生;3)調(diào)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(qū)內(nèi)設(shè)置橫、縱向構(gòu)造加勁板,提高節(jié)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(xiàn)象產(chǎn)生。
單K節(jié)點(diǎn)構(gòu)造優(yōu)化:
1)在相鄰腹桿之間設(shè)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(jié)點(diǎn)構(gòu)造圖(復(fù)雜節(jié)點(diǎn)構(gòu)造優(yōu)化與制作)
2)調(diào)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(jié)點(diǎn)域剛度。
3)在弦桿區(qū)域設(shè)置水平受力加勁板,同時(shí)又在水平受力加勁板之間增設(shè)了一道構(gòu)造加勁板和縱向構(gòu)造加勁板,增大節(jié)點(diǎn)域剛度。水平受力加勁板厚度與對應(yīng)的腹桿翼緣板厚相同,構(gòu)造加勁板厚度根據(jù)規(guī)范要求取20mm。
4)節(jié)點(diǎn)弦桿上翼板厚度一般為35mm~80mm,其焊接拘束度較大,焊接過程容易產(chǎn)生層狀撕裂現(xiàn)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(jié)點(diǎn)與腹桿連接,為了對接處的吻合,在節(jié)點(diǎn)制作加工中增加端口回字構(gòu)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(jié)點(diǎn)域的內(nèi)力,增強(qiáng)了點(diǎn)的承載能力。
3.3.2 雙K節(jié)點(diǎn)相關(guān)性設(shè)計(jì)
雙K節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)的原則:1)沿用單K節(jié)點(diǎn)的1)、3)、4)、5)四個(gè)原則;2)在四個(gè)腹桿中心設(shè)置“受力筒”,同時(shí)四個(gè)方向腹桿上翼緣板在同一標(biāo)高上,保證傳力順利、均勻,避免局部應(yīng)力過大;3)兩個(gè)方向相交應(yīng)該避免焊縫重疊;4)在焊接無法達(dá)到的條件下,保證主要焊縫,放棄次要焊縫;5)滿足運(yùn)輸要求。
雙K節(jié)點(diǎn)構(gòu)造優(yōu)化:
1)節(jié)點(diǎn)一般構(gòu)造設(shè)計(jì)參見單K節(jié)點(diǎn)。
2)雙K節(jié)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(yīng)力,需要將上翼板調(diào)整在同一高度上,共同通過一個(gè)“受力筒”傳遞內(nèi)力。在“受力筒”內(nèi)設(shè)置傳力加勁板和加強(qiáng)加勁板(圖11)。
圖11 雙K節(jié)點(diǎn)構(gòu)造圖(復(fù)雜節(jié)點(diǎn)構(gòu)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)方向通過內(nèi)部加勁板連接的方式設(shè)計(jì),同時(shí)腹桿以腹板為主,翼板與之相焊。
圖12 雙K節(jié)點(diǎn)相貫示意(復(fù)雜節(jié)點(diǎn)構(gòu)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(cuò)開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(jié)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(nèi)設(shè)置了十字加勁板加強(qiáng)。通過優(yōu)化節(jié)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(yīng)力通過剪力形式傳遞到節(jié)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(jié)點(diǎn),為了保證節(jié)點(diǎn)的整體性,其節(jié)點(diǎn)尺寸為4800mm×4800mm×3100mm,重量為43.5t,超過的運(yùn)輸范圍。工廠制作按整體節(jié)點(diǎn)放樣、下料,點(diǎn)焊預(yù)拼裝,然后分開運(yùn)輸至現(xiàn)場進(jìn)行拼焊。
3.3.3 預(yù)應(yīng)力相關(guān)節(jié)點(diǎn)相關(guān)性設(shè)計(jì)
預(yù)應(yīng)力相關(guān)節(jié)點(diǎn)是在桁架單K節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,需要考慮預(yù)應(yīng)力工藝的節(jié)點(diǎn),所有節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)除了要滿足單K節(jié)點(diǎn)的要求,還要滿足預(yù)應(yīng)力工藝的施工、受力要求。
預(yù)應(yīng)力相關(guān)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造優(yōu)化:
1)考慮預(yù)應(yīng)力施工工藝,在桁架節(jié)點(diǎn)處設(shè)置拉索導(dǎo)管,保證了鋼絞線穿入不受節(jié)點(diǎn)內(nèi)加勁板的影響;在轉(zhuǎn)向處設(shè)置導(dǎo)向管,保證了鋼絞線能夠平緩、自然過渡;在上弦離節(jié)點(diǎn)兩端開設(shè)導(dǎo)索工藝孔,保證了鋼絞線穿入的連續(xù)性。
2)拉索張拉后,在轉(zhuǎn)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(qiáng)。轉(zhuǎn)向處在拉索底部設(shè)置縱向支撐板,每隔300~500mm設(shè)置徑向加勁板。錨固端部在兩束預(yù)應(yīng)力拉索之間設(shè)置豎向承壓板,與腹板共同承擔(dān)壓力,同時(shí)設(shè)置水平加勁板保證受壓板的局部穩(wěn)定(圖13)。
圖13 預(yù)應(yīng)力拉索節(jié)點(diǎn)構(gòu)造(復(fù)雜節(jié)點(diǎn)構(gòu)造優(yōu)化與制作)
3)預(yù)應(yīng)力吊桿錨固在桁架下弦端部節(jié)點(diǎn)上,下部樓層吊重均需通過此節(jié)點(diǎn)傳遞到桁架上。為了減少節(jié)點(diǎn)受力的復(fù)雜性,降低加工制作的難度,將吊桿拉索錨固在節(jié)點(diǎn)腹桿上,并通過剪力傳遞樓層吊重(圖14)。
4)主桁架節(jié)點(diǎn)上設(shè)置兩道平行拉板與樓層吊桿節(jié)點(diǎn)連接,形成了特殊的拉板節(jié)點(diǎn),拉板將部分樓層重量傳遞到節(jié)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(shè)置拉板節(jié)點(diǎn)域加強(qiáng)板,在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部對應(yīng)位置設(shè)置加強(qiáng)板(圖14)。
圖14 預(yù)應(yīng)力錨固及拉板節(jié)點(diǎn)構(gòu)造
3.3.4 混凝土灌注工藝相關(guān)性設(shè)計(jì)
桁架內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)需要灌注混凝土,在桁架單K、雙K節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,考慮混凝土灌注工藝,保證混凝土灌注的完整性、可達(dá)性、密實(shí)性。
1)在桁架節(jié)點(diǎn)腹桿對應(yīng)的兩個(gè)密閉空腔內(nèi)分別設(shè)置混凝土灌注孔,上弦節(jié)點(diǎn)的上翼板設(shè)置兩個(gè)ф140灌注孔;下弦節(jié)點(diǎn)的上翼板設(shè)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(nèi)部設(shè)置了大量的水平加勁板,形成了一個(gè)個(gè)相互獨(dú)立的密閉空間,為了保證桁架內(nèi)混凝土全部灌注到位,在內(nèi)部加勁板上設(shè)置了混凝土流淌孔。
3.3.5 預(yù)應(yīng)力相關(guān)節(jié)點(diǎn)有限元計(jì)算分析
預(yù)應(yīng)力拉索轉(zhuǎn)向處、錨固端受力復(fù)雜,為了準(zhǔn)確把握節(jié)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(jié)果表明節(jié)點(diǎn)進(jìn)行局部加強(qiáng)處理后其受力性能得到了提高(圖15--圖17)。
1)節(jié)點(diǎn)有限元分析結(jié)果。
圖15 拉索轉(zhuǎn)向節(jié)點(diǎn)Mises應(yīng)力MPa
圖16 拉索錨固節(jié)點(diǎn)(一)Mises應(yīng)力MPa
圖17 拉索錨固節(jié)點(diǎn)(二)Mises應(yīng)力MPa
2)結(jié)果分析:從節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力云圖可以看出,最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在勁板交錯(cuò)、小夾角的位置,節(jié)點(diǎn)區(qū)最大等效應(yīng)力為329.058MPa。節(jié)點(diǎn)區(qū)翼緣板和腹板的等效應(yīng)力都遠(yuǎn)小于鋼材屈服強(qiáng)度,可見節(jié)點(diǎn)承載力完全滿足要求。
4 復(fù)雜節(jié)點(diǎn)相關(guān)性設(shè)計(jì)推廣
1)提出復(fù)雜節(jié)點(diǎn)定義及相關(guān)性設(shè)計(jì)內(nèi)容。
2)結(jié)合廣博復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的相關(guān)性設(shè)計(jì),提出復(fù)雜節(jié)點(diǎn)相關(guān)性設(shè)計(jì)總體原則:充分發(fā)揮構(gòu)件材料的強(qiáng)度,確保節(jié)點(diǎn)不先于構(gòu)件破壞,構(gòu)造簡單、傳力直接,保證在各種作用下的安全性,同時(shí)滿足各交叉工藝的要求,且加工制作相對簡單。
3)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)域可以通過局部增加板厚,設(shè)置加勁板等措施提高承載力,也可以通過細(xì)部構(gòu)造實(shí)現(xiàn)受力性能的要求(如釋放翼緣、焊接腹板實(shí)現(xiàn)只傳剪不受彎的受力要求;設(shè)置轉(zhuǎn)向支撐板承擔(dān)預(yù)應(yīng)力拉索轉(zhuǎn)向引起的徑向壓力等)。
4)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)焊接的可達(dá)性,保證工廠加工制作的可實(shí)施性:箱形截面受力加勁板采用電渣焊保證四邊焊縫,構(gòu)造加勁板在滿足構(gòu)造要求的前提下采用三邊焊避免焊接死角;多向相交節(jié)點(diǎn)應(yīng)從構(gòu)造上避免焊縫重疊現(xiàn)象;厚板焊接采用合理的焊接剖口形式避免層狀撕裂;結(jié)合節(jié)點(diǎn)組裝順序設(shè)置加勁板。
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