試談建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計要點

董靜萍

（云南省設(shè)計院集團有限公司，云南昆明 650228）

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)具有強度較高、穩(wěn)定性好以及成本低廉等諸多優(yōu)勢特點，因此，在我國建筑工程中得到了廣泛應(yīng)用。而實現(xiàn)對建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點的優(yōu)化設(shè)計，則能夠進一步鞏固鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用優(yōu)勢，全面提升建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量水平。本研究旨在豐富該領(lǐng)域理論研究的同時，也能夠為相關(guān)工作人員完成建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點優(yōu)化設(shè)計，提供必要實踐指導(dǎo)與幫助。

1 工程概況

為有效說明建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計要點，本文選擇以某地區(qū)的大型室內(nèi)沖浪場為例。該室內(nèi)沖浪場的總占地面積超過86000m2，建筑基礎(chǔ)為典型的樁基礎(chǔ)。建筑結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)，且其平面尺寸長度超過460m，為了避免出現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)單體長度過長，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力十分復(fù)雜，設(shè)計人員提出需要將建筑本體和其下混凝土結(jié)構(gòu)、停車樓、超市等相分離，同時設(shè)置分隔縫，將其劃分成低、中、高三個區(qū)域。三個區(qū)域的平面尺寸依次為150m×150m、151m×（150～120）m、170m×（120～100）m。該建筑結(jié)構(gòu)的最低與最高立面高度分別為40m與120m。在沖浪場的高區(qū)，其最大高差超過85m，樓面傾角超過25°，兩側(cè)結(jié)構(gòu)具有較大水平剛度差。高區(qū)采用由鋼筒體、框架梁柱等共同構(gòu)成的框架結(jié)構(gòu)。側(cè)面大桁架的支撐力來源于設(shè)置在高區(qū)左側(cè)兩端的混凝土筒體，該混凝土筒體同時需要承擔(dān)豎向荷載。中區(qū)跨度介于120～150m，低區(qū)跨度為150m，中區(qū)與低區(qū)均采用橫縱桁架相結(jié)合的鋼結(jié)構(gòu)體系，圖1展示的就是建筑高區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)體系。

圖1 高區(qū)鋼結(jié)構(gòu)體系平面

2 建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計的方法與策略

2.1 科學(xué)選擇節(jié)點連接方式

考慮到該沖浪場結(jié)構(gòu)特殊，節(jié)點尺寸最大可達1800mm×1800mm，構(gòu)件厚度最大超過50mm，翼緣板的厚度相對較大，且在節(jié)點交匯處有眾多桿件。因此，完全使用全焊接或全螺栓連接的節(jié)點連接方式均缺乏較高的適用性。例如：在該沖浪場K形節(jié)點中，當(dāng)翼緣板厚度達到25mm時，使用全螺栓連接方式下，節(jié)點質(zhì)量將會超過1300kg，而采用栓焊混合連接方式下，節(jié)點質(zhì)量則不足800kg。本建筑中起連接作用的雙夾板厚度普遍超過25mm，相較于栓焊混合節(jié)點，結(jié)構(gòu)質(zhì)量增幅明顯更大，且需要眾多高強螺栓。在實際進行施工安裝時，結(jié)構(gòu)構(gòu)件需要保障極高的安裝精度，施工難度相對較大，工作人員開展施工質(zhì)量管理的難度也頗大[1]。因此，經(jīng)過綜合考量，在該建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點連接方式設(shè)計中，相關(guān)工作人員最終選擇以翼緣焊接為主，配合使用腹板螺栓連接的方式，同時適當(dāng)外移連接段，防止出現(xiàn)焊縫交叉而出現(xiàn)焊接冷脆的情況。在有效控制節(jié)點用鋼量的同時，也有助于避免結(jié)構(gòu)自重過重而影響后續(xù)現(xiàn)場施工作業(yè)。

2.2 建立模型分析節(jié)點受力

在建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計中，相關(guān)工作人員需要對各結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及節(jié)點的受力情況進行準(zhǔn)確分析，以此為基礎(chǔ)有針對性地制定科學(xué)、合理的節(jié)點設(shè)計方案。為有效提升節(jié)點受力分析的準(zhǔn)確性和分析效率，在該建筑項目中，工作人員設(shè)計采用專業(yè)的建模軟件，根據(jù)工程實際建立三維模型，并對其進行有限元分析。在此過程中，工作人員在運用有限元軟件完成建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點三維實體模型的建立后，對其進行四面體單元網(wǎng)格劃分，并將節(jié)點模型中的相關(guān)信息數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入至MIDAS軟件中。利用該軟件建立該建筑三維實體節(jié)點模型，再將該節(jié)點模型和結(jié)構(gòu)計算分析構(gòu)件相對應(yīng)的線性模型進行耦合，從而運用有限元分析的方式，使得工作人員能夠?qū)?jié)點實體模型邊界及其具體荷載條件等進行準(zhǔn)確把握。全方位地掌握建筑各區(qū)域變形情況與應(yīng)力情況[2]。

2.3 立足實際優(yōu)化設(shè)計節(jié)點

2.3.1 框架柱的交叉節(jié)點

在完成建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點受力有限元分析后，工作人員需要從工程實際出發(fā)，針對建筑鋼結(jié)構(gòu)中的各關(guān)鍵節(jié)點對其進行優(yōu)化設(shè)計。如本工程中，巨柱之間相互連接時形成了眾多呈“X”形的交叉節(jié)點，在該類節(jié)點處有6根桿件進行相互連接，構(gòu)件截面尺寸最大可以達到1800mm×1800mm，節(jié)點板厚度最大值超過50mm。因此，選擇將栓焊連接節(jié)點作為鑄鋼節(jié)點顯然并不適用，為了有效增強節(jié)點區(qū)承載力，使其能夠至少達到構(gòu)件承載力，工作人員通過將通長縱向加勁肋與適量橫向加勁肋，一并增設(shè)在節(jié)點內(nèi)部，以此有效達到節(jié)點強化的效果。通過將適量具有一定厚度的加勁肋設(shè)置在節(jié)點桿件“X”形交叉位置處，可以使得交角處的倒角在一定程度上得到有效增加，配合使用增加設(shè)置加勁板等方式，可以進一步實現(xiàn)節(jié)點加強的效果。在本建筑項目中，為了實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點連接的安全可靠，同時有效降低現(xiàn)場施工難度，工作人員最終在連接巨柱交叉主桿件時，設(shè)計使用全熔透焊接連接的方式，并要求焊接質(zhì)量等級達到一級。在分肢連接中需要使用強度等級達到10.9級的高強度螺栓，以此有效保障連接的緊固度與安全可靠性。

2.3.2 桁架上弦節(jié)點設(shè)計

該室內(nèi)沖浪場高區(qū)樓面的桁架節(jié)點，使得主桁架弦桿截面成為箱形截面，從而避免在節(jié)點區(qū)域需要增設(shè)大量加勁肋。但為保障上弦所在斜平面完全相同，還需要使用斜墊板墊，令節(jié)點區(qū)局部位置可以保持一定角度，從而和該區(qū)域的其他構(gòu)件進行順利連接。但此時斜墊板在連接各個構(gòu)件的交界處往往會出現(xiàn)應(yīng)力過于集中的情況，因此，為了能夠?qū)?yīng)力集中進行有效控制，同時，盡量避免節(jié)點區(qū)域出現(xiàn)眾多焊縫，在該節(jié)點設(shè)計中，直接使用一整塊碟形斜向大板作為上弦節(jié)點區(qū)域，用各弦桿上翼緣厚度包絡(luò)作為碟形斜向大板的厚度[3]。外移和各個弦桿之間的連接焊縫，以此有效提升碟形節(jié)點上，應(yīng)力分布的均勻性，從根本上防止出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，圖2展示的就是該建筑鋼結(jié)構(gòu)中的碟形節(jié)點。

2.3.3 屋面節(jié)點優(yōu)化設(shè)計

圖2 碟形節(jié)點設(shè)計平面

在該室內(nèi)沖浪場的屋面上弦節(jié)點設(shè)計中，工作人員在與桿件肢數(shù)以及截面尺寸等方方面面進行全面考量下，最終選擇運用相貫焊接連接的方式。在運用前期建設(shè)的沖浪場三維整體模型的基礎(chǔ)上，針對屋面上弦節(jié)點開展有限元分析，可知包括工況應(yīng)力最大值超過310MPa，該最大應(yīng)力出現(xiàn)在圓鋼管連接H型鋼腹板的位置處。同樣，為有效防止該相交處焊縫出現(xiàn)應(yīng)力過于集中的情況，工作人員在對該節(jié)點進行優(yōu)化設(shè)計時，采用封箱的方式，即在節(jié)點區(qū)局部封板成箱形。經(jīng)過后期檢測與應(yīng)力計算可知，運用封箱方式下，H型鋼腹板、鋼翼緣板和圓鋼管相互連接的位置處，應(yīng)力最大值從最初的310MPa以上降至不足220MPa。此時節(jié)點位移最大值不超過29mm，與規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)要求相符。

2.3.4 桁架連接屋面節(jié)點

本室內(nèi)沖浪場高區(qū)轉(zhuǎn)換樓面和屋面的中間位置處設(shè)有抗風(fēng)桁架，其傾角為70°，總長度超過20m。在結(jié)合工程實際，并參照相關(guān)設(shè)計規(guī)定要求下，工作人員在連接屋面和抗風(fēng)桁架的節(jié)點設(shè)計中，選擇使用銷軸連接的方式，銷軸直徑為60mm。在上銷軸中使用長圓孔，使得在重力荷載作用下的軸力可以得到有效釋放，從而有效減小屋面桁架下弦所需承受的荷載。為有效提升節(jié)點連接強度，工作人員選擇使用40Cr材質(zhì)的銷軸，這主要是由于該種材質(zhì)具有良好的耐磨損性能，且硬度相對較高。此外，工作人員還通過將兩道厚度為20mm的加勁肋加設(shè)在耳板位置處，進而在有效控制耳板厚度的同時，也可以使得耳板局部具有更好的安全穩(wěn)定性，圖3展示的就是本建筑鋼結(jié)構(gòu)中的抗風(fēng)桁架位置圖。

圖3 抗風(fēng)桁架位置

3 結(jié)束語

綜上，在實際開展建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計時，相關(guān)工作人員需要充分結(jié)合工程實際與鋼結(jié)構(gòu)具體特征，在嚴(yán)格遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求下，合理選擇與之相適宜的節(jié)點連接方式。并主動運用建模思想，配合使用各種專業(yè)工具軟件建立該模型，對各鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點受力情況進行準(zhǔn)確分析。在此基礎(chǔ)上，對建筑鋼結(jié)構(gòu)中的各個節(jié)點進行科學(xué)優(yōu)化設(shè)計，對其中各項設(shè)計要點進行嚴(yán)格把控。從而有效完成建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計工作，并獲得理想的設(shè)計效果。