大尺寸焊接薄壁楔形內(nèi)柱節(jié)點(diǎn)幾何構(gòu)型方法

0桁架柱節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)國家體育用戶結(jié)構(gòu)的24根框架柱由一根垂直的三角形內(nèi)柱、兩條向外傾斜的外柱和內(nèi)柱之間的腹部桿組成，以及垂直方向上的三角形內(nèi)柱。桁架柱上端與主桁架相連,與主桁架、立面次結(jié)構(gòu)、頂面次結(jié)構(gòu)、立面大樓梯共同構(gòu)成大跨度空間結(jié)構(gòu)體系。桁架柱的平面布置如圖1所示,桁架柱A側(cè)與B側(cè)的主桁架夾角在54.987°～78.748°范圍內(nèi)變化,典型的桁架柱如圖2所示。國家體育場桁架柱的內(nèi)柱節(jié)點(diǎn),相交腹桿的數(shù)量多,角度復(fù)雜,對稱性差。內(nèi)柱與主桁架下弦之間的柱頂節(jié)點(diǎn),最多有14根桿件交匯在一起。在桁架柱內(nèi)柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中,遵循“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”的原則,確保節(jié)點(diǎn)不先于構(gòu)件破壞,并盡量做到構(gòu)造簡單,傳力直接,加工制作相對簡單。由于焊接箱形構(gòu)件截面尺寸較大,有條件進(jìn)行內(nèi)部焊接,可以考慮通過設(shè)置內(nèi)部加勁肋的方式,增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度與剛度,充分發(fā)揮材料的強(qiáng)度,保證結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下具有較好的延性。由于國家體育場桁架柱內(nèi)柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜,加工制作難度大,在國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中均無先例,對其受力性能需要進(jìn)行專門研究。在設(shè)計(jì)中提出菱形內(nèi)柱與腹桿同寬的構(gòu)型方法,使腹桿側(cè)壁與菱形內(nèi)柱壁板共面,傳力直接有效。通過在菱形內(nèi)柱內(nèi)設(shè)置水平加勁肋與局部縱向加勁肋,使內(nèi)柱節(jié)點(diǎn)的剛度大大增強(qiáng),腹桿翼緣的內(nèi)力能夠有效傳遞給菱形內(nèi)柱。通過有限元分析,研究內(nèi)柱節(jié)點(diǎn)的受力形態(tài)與變形情況,合理確定節(jié)點(diǎn)域板件的厚度。為了驗(yàn)證本文節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法的可靠性,在同濟(jì)大學(xué)國家重點(diǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了縮尺試驗(yàn)。在桁架柱內(nèi)柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)過程中,還對采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)的可行性進(jìn)行了研究。如果采用鑄鋼節(jié)點(diǎn),構(gòu)件的噸位很大,柱頂節(jié)點(diǎn)的重量將達(dá)百噸左右,構(gòu)件長度約8m。由于對鋼材的性能要求很高,已經(jīng)超過目前建筑鑄鋼件生產(chǎn)的實(shí)際能力,質(zhì)量控制相當(dāng)困難。鑄鋼件造價(jià)較高,生產(chǎn)周期長,構(gòu)件的重復(fù)率低。此外,超大型鑄鋼節(jié)點(diǎn)在構(gòu)件運(yùn)輸、現(xiàn)場安裝等方面也存在一定問題。經(jīng)過反復(fù)論證比較,在國家體育場桁架主內(nèi)柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中,最終采用了焊接節(jié)點(diǎn)的形式。1節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)研究1.1柱頂節(jié)點(diǎn)的類型國家體育場鋼結(jié)構(gòu)桁架柱內(nèi)柱節(jié)點(diǎn)可以分為內(nèi)柱節(jié)點(diǎn)與柱頂節(jié)點(diǎn)兩種基本類型。內(nèi)柱節(jié)點(diǎn)包括雙K節(jié)點(diǎn)、雙KT、KT+K等多種形式,如圖3所示。柱頂節(jié)點(diǎn)的一側(cè)為桁架柱的腹桿,另一側(cè)為主桁架的下弦與腹桿,幾何關(guān)系復(fù)雜,節(jié)點(diǎn)受力很大,典型的柱頂節(jié)點(diǎn)如圖4所示。菱形內(nèi)柱的對角線尺寸B×H從軸的1353×2599變化到軸的1552×1892,腹桿尺寸B×H均為1200×1000,如圖5與表1所示。1.2矩形內(nèi)柱規(guī)則在考慮桁架柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)型時(shí),盡量使節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)滿足構(gòu)造簡單、形式統(tǒng)一、受力合理的要求。根據(jù)菱形內(nèi)柱側(cè)壁與腹桿側(cè)壁均與地面保持垂直的特點(diǎn),調(diào)整菱形內(nèi)柱的外形尺寸,使其與腹桿同寬,腹桿側(cè)壁與內(nèi)柱側(cè)壁共面,傳力直接有效。在菱形內(nèi)柱規(guī)則布置橫向加勁肋和局部豎向加勁肋,形成剛度較大的節(jié)點(diǎn)域,如圖6所示。腹桿根部加強(qiáng)區(qū)與內(nèi)柱節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)區(qū)的設(shè)計(jì)方法如下。(1)腹桿側(cè)壁交織時(shí)區(qū)域受力的分析將相鄰腹桿交匯的區(qū)域作為腹桿加強(qiáng)區(qū),其厚度需要根據(jù)計(jì)算確定。通過調(diào)整節(jié)點(diǎn)腹桿的偏心距,使得A側(cè)與B側(cè)的腹桿盡量匯交于相同高度,減少因兩側(cè)腹桿錯(cuò)位引起的局部不平衡力,同時(shí)滿足建筑外觀的美學(xué)要求。對于A側(cè)或B側(cè)有兩根腹桿的情況,壁厚較大腹桿的翼緣貫通;對于A側(cè)或B側(cè)三根腹桿交匯的情況,中間腹桿的翼緣貫通。當(dāng)腹桿與內(nèi)柱夾角的差異較大時(shí),與內(nèi)柱夾角較大腹桿的翼緣貫通,以滿足節(jié)點(diǎn)傳力與建筑外觀的要求。腹桿側(cè)壁交匯的區(qū)域受力復(fù)雜,需要適當(dāng)加強(qiáng)。為了減少拼接焊縫數(shù)量,在相鄰腹桿側(cè)壁交匯區(qū)采用整塊鋼板,按照需要的形狀進(jìn)行切割。(2)橫向加勁板的設(shè)置在進(jìn)行菱形內(nèi)柱組焊設(shè)計(jì)時(shí),將與腹桿側(cè)壁連接的板件向外延伸,避免焊縫重疊。由于內(nèi)柱節(jié)點(diǎn)的幾何關(guān)系復(fù)雜,無法直接按腹桿延伸的方向在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部設(shè)置加勁肋。因此,分別在腹桿與內(nèi)柱相交的最低與最高點(diǎn)設(shè)置橫向加勁板,并在其間按間距600mm均勻布置橫向加勁肋。為了方便焊接操作,橫向加勁板中間設(shè)置橢圓孔,長軸為650mm,短軸450mm。由于內(nèi)柱壁厚較薄,為了增強(qiáng)菱形內(nèi)柱板件的剛度,在內(nèi)柱節(jié)點(diǎn)域范圍內(nèi)設(shè)置局部豎向加勁肋,如圖7所示。1.3桁架柱側(cè)壁匯區(qū)板件的切割對于桁架柱的柱頂節(jié)點(diǎn),交匯于菱形內(nèi)柱的桿件最多達(dá)12根。與內(nèi)柱節(jié)點(diǎn)類似,在考慮節(jié)點(diǎn)構(gòu)型時(shí),使菱形內(nèi)柱與主桁架下弦及腹桿同寬。在進(jìn)行菱形內(nèi)柱組焊設(shè)計(jì)時(shí),可將與腹桿側(cè)壁連接的板件向外延伸,避免焊縫重疊,如圖7所示。在桁架柱一側(cè)的構(gòu)造與內(nèi)柱節(jié)點(diǎn)的做法一致。在主桁架一側(cè),綜合考慮菱形內(nèi)柱兩側(cè)構(gòu)件傳力與建筑外觀要求,對主桁架腹桿位置進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。在主桁架下弦與腹桿的交匯區(qū),壁厚較大的主桁架下弦翼緣貫通,如圖7所示。腹桿及主桁架弦桿側(cè)壁匯交區(qū)板件的切割方法如圖8所示。與內(nèi)柱節(jié)點(diǎn)類似,在柱頂節(jié)點(diǎn)的菱形內(nèi)柱設(shè)置橫向加勁肋與局部豎向加勁肋。為了方便焊接操作,橫向加勁板設(shè)置橢圓孔,長軸為650mm,短軸450mm。2內(nèi)柱節(jié)點(diǎn)的有限分析2.1材料屈服強(qiáng)度采用大型三維圖形處理軟件CATIA建立內(nèi)柱節(jié)點(diǎn)的幾何模型,采用通用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算采用Solid92單元。該單元為10結(jié)點(diǎn)單元,每個(gè)結(jié)點(diǎn)3個(gè)自由度,適用非線性分析。為了保證計(jì)算結(jié)果的精度,單元網(wǎng)格不能過于稀疏。材料彈性模量為2.06×105N/mm2,強(qiáng)化模量為2.06×103N/mm2,泊松比0.3,材料屈服強(qiáng)度fy參考規(guī)范和相關(guān)材性試驗(yàn)選取。為了反映加工誤差的影響,采用計(jì)算模型第一階屈曲模態(tài)模擬初始缺陷,假定板件的最大初始側(cè)向彎曲變形值為構(gòu)件寬度的1/300。在計(jì)算模型桿端設(shè)置剛域,僅將內(nèi)柱下端作為嵌固端,其他桿端形心施加各種工況組合下的設(shè)計(jì)內(nèi)力值。節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算采用Mises強(qiáng)度準(zhǔn)則,同時(shí)考慮幾何非線性和材料非線性影響。節(jié)點(diǎn)域板件的Mises應(yīng)力σs可以用式(1)表達(dá)σs=12[(σ1?σ2)2+(σ2?σ3)2+(σ3?σ1)2]????????????????????????????????√≤1.1f(1)σs=12[(σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2]≤1.1f(1)式中,σ1、σ2和σ3分別為第1、第2和第3主應(yīng)力,f為鋼材的抗拉、抗壓、抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。對于出現(xiàn)局部超過強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的情況,如果應(yīng)力峰值范圍很小,且應(yīng)力峰值超過強(qiáng)度設(shè)計(jì)值較少時(shí),將分布范圍較大的最大應(yīng)力值作為判定依據(jù)。2.2節(jié)點(diǎn)域各板件厚度的確定本文在有限元分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合內(nèi)柱節(jié)點(diǎn)的受力特點(diǎn)與構(gòu)造要求,確定節(jié)點(diǎn)域各板件的厚度。在確定節(jié)點(diǎn)域板件厚度時(shí),遵循“最大平均應(yīng)力”的原則,即控制節(jié)點(diǎn)域板厚的“最大應(yīng)力”是平均意義上的最大值,不考慮極小范圍內(nèi)應(yīng)力峰值的影響。(1)受拉腹桿壁厚內(nèi)柱節(jié)點(diǎn)的腹桿從受力形態(tài)上可分為受壓腹桿和受拉腹桿。對于焊接薄壁箱形構(gòu)件,由于受壓腹桿需要考慮截面有效寬度和桿件長細(xì)比的影響,因此壁厚較大,應(yīng)力值較低。受拉腹桿全截面有效,壁厚較小,應(yīng)力值較高。另外,在拉、壓腹桿相交處及加強(qiáng)區(qū)根部應(yīng)力值較大。根據(jù)上述特點(diǎn),腹桿加強(qiáng)區(qū)的板厚不應(yīng)小于受拉與受壓腹桿壁厚的較大值,但也不宜大于菱形內(nèi)柱節(jié)點(diǎn)域的壁厚。當(dāng)相鄰腹桿相交后,其中一根腹桿內(nèi)側(cè)的翼緣需要截?cái)鄷r(shí),貫通一側(cè)的翼緣應(yīng)能夠負(fù)擔(dān)兩腹桿相交翼緣的合力。(2)內(nèi)柱節(jié)點(diǎn)域壁厚內(nèi)柱加強(qiáng)區(qū)與腹桿相連,受力復(fù)雜,其厚度應(yīng)根據(jù)桿件在各種不利工況組合下的最大平均應(yīng)力確定。內(nèi)柱節(jié)點(diǎn)域壁厚通常取上柱與下柱壁厚的較大值,且不小于腹桿加強(qiáng)區(qū)的壁厚。內(nèi)柱節(jié)點(diǎn)域橫向加勁肋厚度與腹桿翼緣相同。節(jié)點(diǎn)域縱向短加勁肋與內(nèi)柱變形相協(xié)調(diào),以受彎為主,主要起提高節(jié)點(diǎn)剛度的作用,厚度可參考腹桿的壁厚確定。2.3內(nèi)柱內(nèi)柱應(yīng)力分析以國家體育場鋼結(jié)構(gòu)桁架柱內(nèi)柱節(jié)點(diǎn)C8-05為例,采用有限元法進(jìn)行分析。C8-05節(jié)點(diǎn)的單元網(wǎng)格劃分情況如圖9a所示,相關(guān)構(gòu)件的幾何尺寸如表2所示。內(nèi)柱節(jié)點(diǎn)C8-05在1.1×(1.35恒+0.98活+0.84風(fēng))+低溫工況組合下的Mises應(yīng)力如圖10所示。從圖10可以看出,經(jīng)過桿件截面設(shè)計(jì),A側(cè)與B側(cè)的受拉腹桿與受壓腹桿應(yīng)力水平相近,受拉與受壓腹桿相交區(qū)域,腹桿側(cè)壁在靠近內(nèi)柱根部處的截面逐漸減小,應(yīng)力值逐漸增大。在相鄰腹桿相交的部位,翼緣應(yīng)力的分布不均勻,中間應(yīng)力較小,角部應(yīng)力較大。由于設(shè)置了加勁肋,內(nèi)柱在節(jié)點(diǎn)域附近應(yīng)力值較低,僅在與腹桿A1側(cè)壁相交處出現(xiàn)局部的應(yīng)力峰值。內(nèi)柱的橫向加勁肋應(yīng)力較小,但縱向短加勁肋應(yīng)力值較高,在局部可達(dá)150MPa。2.4misen應(yīng)力分析以國家體育場鋼結(jié)構(gòu)桁架柱柱頂節(jié)點(diǎn)C4-02為例,采用有限元法進(jìn)行分析。C4-02節(jié)點(diǎn)的單元網(wǎng)格劃分情況如圖9b所示,與C4-02節(jié)點(diǎn)相關(guān)的構(gòu)件幾何尺寸如表3所示。柱頂節(jié)點(diǎn)C4-02在1.1×(1.35恒+0.98活+0.84風(fēng))+低溫工況組合下的Mises應(yīng)力如圖11所示。從圖11可以看出,經(jīng)過桿件截面設(shè)計(jì)后,各受壓腹桿應(yīng)力水平相近。在腹桿相交區(qū)域,截面總高度明顯減小,應(yīng)力值相應(yīng)增大。內(nèi)柱在節(jié)點(diǎn)域附近應(yīng)力值較低,在桁架柱一側(cè)腹桿加強(qiáng)區(qū)的下端很小范圍內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力峰值。對于柱頂節(jié)點(diǎn)來說,交匯于節(jié)點(diǎn)的構(gòu)件均為受壓桿件,此時(shí),橫向加勁肋應(yīng)力值較大,但縱向短加勁肋應(yīng)力值較小。節(jié)點(diǎn)C8-05與C4-02的有限元計(jì)算結(jié)果表明,按照本文提出的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原則確定的幾何構(gòu)型與板件厚度,節(jié)點(diǎn)域的總體應(yīng)力水平低于與所連接構(gòu)件的應(yīng)力水平,可以滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”的設(shè)計(jì)原則。3節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)加載為了驗(yàn)證本文內(nèi)柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法的可靠性,分別以桁架柱內(nèi)柱節(jié)點(diǎn)C8-05與柱頂節(jié)點(diǎn)C4-02為對象,在同濟(jì)大學(xué)國家重點(diǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了縮尺模型試驗(yàn)。內(nèi)柱節(jié)點(diǎn)C8-05采用1∶4縮尺模型,材料為Q345-B鋼材,試件設(shè)計(jì)時(shí)考慮了幾何相似、材料相似和受力狀態(tài)相似等相似條件。試驗(yàn)采用間接加載方式,將試件組合進(jìn)一個(gè)便于控制加載的桁架結(jié)構(gòu)中,試驗(yàn)桁架左端通過端板與反力桁架相連,在桁架右端通過千斤頂實(shí)施單調(diào)靜力加載,從而實(shí)現(xiàn)對節(jié)點(diǎn)部位的間接加載,內(nèi)柱節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)桁架如圖12a所示。加載至1.0倍設(shè)計(jì)荷載時(shí),加載桁架桿件有測點(diǎn)開始進(jìn)入塑性,荷載與加載點(diǎn)位移基本成線性關(guān)系;當(dāng)加載至設(shè)計(jì)荷載的1.7倍左右時(shí),荷載-位移曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折,整個(gè)試件桁架開始進(jìn)入塑性。當(dāng)接近設(shè)計(jì)荷載的2.0倍時(shí),加載桁架構(gòu)件出現(xiàn)局部鼓曲現(xiàn)象,導(dǎo)致加載無法繼續(xù)進(jìn)行。試驗(yàn)加載過程中,腹桿的應(yīng)力與理論計(jì)算值吻合較好,當(dāng)加載結(jié)束時(shí),節(jié)點(diǎn)區(qū)域僅有個(gè)別測點(diǎn)的應(yīng)力進(jìn)入塑性狀態(tài),大部分區(qū)域均處在彈性范圍,板件未出現(xiàn)明顯的屈曲變形。柱頂節(jié)點(diǎn)C4-02采用1∶5縮尺模型,材料為Q345B鋼材,采用自平衡加載反力架以及千斤頂對各桿件端部施加同步荷載。整個(gè)加載裝置由兩根地梁與兩個(gè)空間拱架組成,地梁通過錨栓與地槽連接。另外,考慮到節(jié)點(diǎn)的個(gè)別桿件由端部彎矩引起的次應(yīng)力影響較大,不能忽略,所以這些桿件采用偏心加載來模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)在該節(jié)點(diǎn)處的受力狀態(tài)。柱頂節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)裝置如圖12b所示。試驗(yàn)過程中,B側(cè)主桁架下弦桿上翼緣與柱相交區(qū)域內(nèi)的個(gè)別測點(diǎn)首先進(jìn)入屈服。隨后,桁架柱腹桿個(gè)別測點(diǎn)也進(jìn)入塑性,但試件整體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系仍表現(xiàn)為線性。加載至1.6倍設(shè)計(jì)荷載時(shí),主桁架B側(cè)下弦桿、A側(cè)桁架柱最低一根腹桿A3靠近節(jié)點(diǎn)區(qū)域附近的側(cè)壁發(fā)生明顯的鼓曲變形,節(jié)點(diǎn)區(qū)域已有一定程度的塑性發(fā)展,但無宏觀破壞現(xiàn)象?？s尺模型試驗(yàn)結(jié)果表明,本文提出的桁架柱內(nèi)柱節(jié)點(diǎn)與柱頂節(jié)點(diǎn)可以滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”的要求,節(jié)點(diǎn)安全可靠,具有一定安全儲(chǔ)備。4有限元分析在內(nèi)柱節(jié)點(diǎn)安全儲(chǔ)備上的應(yīng)用通過對國家體育場鋼結(jié)構(gòu)桁架柱內(nèi)柱節(jié)點(diǎn)的研究,可以得出以下結(jié)論。(1)本文提出的大尺寸焊接薄壁菱形截面內(nèi)柱節(jié)點(diǎn)的幾何構(gòu)型方法,使腹桿側(cè)壁與菱形內(nèi)柱壁板共面,傳力直接有效,可以適用于任意角度腹桿交匯的情況。(2)通過在菱形內(nèi)柱內(nèi)設(shè)置水平加勁肋與局部縱向加勁肋,有效地增強(qiáng)了節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度與剛度,充分發(fā)揮材料的強(qiáng)度,保證結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下具有較好的延性。(3)通過有限元分析,根據(jù)“最大平均應(yīng)力”的原則,合理確定節(jié)點(diǎn)域板件的厚度,實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”的設(shè)計(jì)理念,確保節(jié)點(diǎn)的可靠性與經(jīng)濟(jì)性。(4)通過合理調(diào)整拼接