济南奥体中心体育馆钢结构屋盖节点设计

江 化 冰

(悉地国际设计顾问(深圳)有限公司，上海 200433)



济南奥体中心体育馆钢结构屋盖节点设计

江 化 冰

(悉地国际设计顾问(深圳)有限公司，上海 200433)

对“强节点、弱构件”的意义进行了阐述，较为详细的介绍了济南奥体中心体育馆钢结构屋盖节点的设计思路、设计方法，并介绍了节点计算荷载的选取和判断节点是否达到“强节点弱构件”要求的方法，供工程设计分析参考。

支座节点，索杆节点，弦支穹顶结构

1 工程概况

本工程采用弦支穹顶屋盖结构和下部混凝土筒体—框架结构及外网交叉柱编织筒体结构组成的结构体系，其中弦支穹顶由上部单层网壳和下部索杆张拉体系组成，整个屋盖结构支承于周边混凝土环梁上，弦支穹顶屋盖组成如图1所示。

节点在整个结构中起到连接结构构件，传递构件内力或变形使其共同承担、传递荷载的关键作用，节点设计的是否合理、节点承载力的高低直接影响到结构所承担的荷载是否能够有效地传递，一个结构构件设计的不论多大、多强，如果节点承载力不足，荷载、内力及变形等也无法有效传递，结构构件也就起不到应有的作用，因此从某种意义上说节点要比构件更加重要。针对济南体育馆弦支穹顶屋盖结构，选取其中关键节点进行设计分析，节点选取位置示意图如图2所示。

1)支座节点A。

2)单层壳节点B。

3)索杆—单层壳相连节点C。

4)索杆节点D。

2 节点设计原则及目标

节点设计原则：构造简单、传力直接，主次分明，主要构件连通、竖向构件连通。要注意的是构件受力大未必为主要构件。

节点设计达到目标：强节点弱构件。

所谓强节点弱构件指的是节点承载力大于构件承载力，构件破坏先于节点破坏，构件破坏并不一定就是构件强度破坏，还可能属于屈曲破坏，此外还可以看作整体结构的破坏。强节点弱构件的意义就在于可以发挥构件的承载能力，实现构件的延性，进而实现结构整体的延性。如果节点达不到强节点弱构件，则结构构件不论多大、多强，也起不到应有的作用，无法实现构件的延性，也就无法实现结构的延性。

3 节点设计

3.1 支座节点

3.1.1 支座节点设计

本结构支座节点所连接的单层壳构件共有4根，为377×16圆管，分别来自四个不同方向，索则来自于第五个方向，钢管与索的连接可采用肋板连接到一起。考虑到建筑美观和施工方便，决定采用焊接球节点如图3所示。

此节点构造如下：索由竖向肋板连接，同时竖向肋板起到与焊接球紧密连接同时兼加劲肋的作用，径向钢管与焊接球连接，环向钢管则与径向钢管和焊接球相贯连接。这样钢管与索通过竖向肋板和焊接球紧密地连接到一起，传力路径简单可靠，节点构造如图4所示。

3.1.2 支座节点计算

节点设计目标是强节点弱构件，由于与上部结构相连的是混凝土环梁，而混凝土环梁的配筋是由最大内力计算所得的，混凝土环梁的强度可以认为比最大支座反力稍大，因此节点荷载可以施加最大支座反力，选取各工况中支座反力最大的工况，将其内力施加于节点各构件进行节点分析。

节点构件施加内力如下：

斜索：拉力560 kN;

径向钢管：压力850 kN,垂直截面向下剪力：30 kN，以模拟弯矩60 kN·m;

环向钢管：压力810 kN。

经有限元分析节点Von-mises应力云图如图5所示。

由图5应力云图可见：在支座反力最大工况下，节点应力除局部应力集中点达到238 MPa外，其余大部分区域应力均在150 MPa以下，整个节点承载力完全可达到2倍反力最大工况下的荷载，达到强节点弱构件，可以保证结构安全。节点施工后的图片如图6所示。

3.2 索杆—单层壳相连节点

索杆—单层壳相连节点实际上就是单层壳节点与索杆相连，因此可以认为索杆—单层壳相连节点的设计已经包含了单层壳节点的设计，因此本文略去单层壳节点B的设计，直接进入索杆—单层壳相连节点C的介绍。

3.2.1 索杆—单层壳相连节点设计

此节点由构成单层壳的6根各方向钢管和构成索杆体系的索、杆组成，由于本屋盖结构单层壳作用相对主要，而索杆体系相对次要，因此本节点设计应首先考虑单层壳6根钢管的连接。而组成单层壳的6根钢管包括4根径向钢管和2根环向钢管，其中径向钢管在单层壳中作用更重要，因此应首先考虑径向钢管的连接，保证其连接的可靠性。由于4根钢管来自于4个不同方向，无法贯通，因此4根钢管在节点处均截断连接，对于这样4根同样重要、截面相差不大的钢管较好的连接方法可以采用十字肋板连接，保证了较重要的径向钢管的相对连贯，十字肋板厚度一般取1.5倍～2.5倍钢管壁厚。径向钢管有了可靠连接后可以考虑较次要的环向钢管的连接，此处可以采用相贯的连接方法，将环向钢管相贯于径向钢管上，节点设计时将十字肋的横向加劲肋延长，使得环向钢管的一部分内力通过横向肋板直接传递到节点的另一边，减少了环向钢管对径向钢管的影响，同时加强了节点同环向钢管的连接，做到了传力直接，连接可靠，而且对主要受力构件影响小，单层壳节点如图7所示。

单层壳的连接得到保证后，再考虑索、杆与单层壳的连接。由于单层壳十字肋板的纵向肋板正好与索杆处于同一平面，因此可将纵向肋板加长兼作索、杆连接的连接板，由于单层壳的6根钢管与十字肋板紧密连接在一起，因此这种连接方式又将索、杆与单层壳紧密的连接在一起，由于索与杆的销节点同处于一块肋板，因此索的竖向力可以通过肋板直接传递给竖杆，而不必再通过其他构件传递，索、杆内力不能平衡的部分又通过十字肋板直接传递到了6根钢管上，做到了传力直接、简单明确，索杆—单层壳相连节点最终模型图如图8所示。

3.2.2 索杆—单层壳节点计算

由于本节点所连接构件较多，无法给出一种较简单的组合来验证强节点弱构件，因此本节点的分析选取了构件内力最大荷载工况下的构件内力作为荷载。

上部径向钢管：轴向压力690 kN，垂直横截面向下剪力：75 kN;

下部径向钢管：轴向压力670 kN，垂直横截面向下剪力：75 kN;

环向钢管：轴向压力500 kN;

斜索：拉力260 kN;

竖杆：压力340 kN，约为竖杆屈曲荷载的1/3(竖杆截面为273 mm×10 mm，长度为11 150 mm，材料为Q345，屈曲荷载1 022 kN)。

经有限元分析，节点Von-mises应力云图如图9所示。

由上面分析可见，节点除局部阴角区应力达到220 MPa外，节点大部分区域应力在110 MPa以下，考虑节点应力塑性发展，节点承载力可以达到所施加荷载的3倍以上，可以达到强节点弱构件的要求，节点施工后如图10所示。

3.3 下部索杆节点

3.3.1 下部索杆节点设计

下部索杆节点构件较少，仅由斜索、竖杆和环索组成，斜索和竖杆内力均为轴向力，其连接部位均为构件端部，其连接方式也较简单，斜索可采用销连接，竖杆则可采用相贯焊或者肋板连接，而环索则较复杂，因为环索在节点处所贡献内力是通过索的横向接触面传递的，而且索在节点处是保持连通的。由于环索是通过横向接触面传递内力，因此节点与环所接触部位应为一个面，为了增大接触面，减小接触面的压应力，接触面可按索的外尺寸设计成为圆形槽状，由于环索在节点处有10°的转角，为了避免尖锐的转角，造成环索损坏，圆形槽应设计成圆弧状。如图11中体a所示，为了将环索固定，设计体b与体a相配套，可通过螺栓将体b固定于体a上将索夹紧固定，考虑到加工方面的因素，节点最终采用的是铸钢节点，节点有限元模型图如图12所示。

3.3.2 下部索杆节点的计算

此节点受力体系较简单，属于静定力系，节点计算分析施加荷载应为使节点所连接构件之一达到破坏时的荷载，经分析随着荷载的增加竖杆会因屈曲而首先达到破坏，此时竖杆压力为1 023 kN，斜索拉力为2 333 kN，环索拉力为12 032 kN。

经有限元弹塑性分析，节点破坏荷载时的荷载为竖杆屈曲时荷载的1.12倍，达到了强节点弱构件的要求，节点在竖杆屈曲时的Von-mises应力云图如图13所示，节点施工后如图14所示。

4 结语

1)“强节点弱构件”指的是节点承载力大于构件承载力，构件破坏先于节点破坏，这里的破坏不一定是强度破坏，还包括屈曲等其他形式的破坏。

2)节点设计应构造简单、传力直接，分清主次，主要构件连通、不坏，竖向构件连通、不坏，构件受力大不等于主要。

3)支座节点设计时，节点承载力富裕量较大，主要是因为支座节点相当于屋盖结构的基础，基础牢固结构才能发挥其应有性能，基础不稳，结构设计再好、再强，也只能是浪费材料。

4)关于主要构件与次要构件，受力大并不一定等于主要。本屋盖结构环向杆件在某些部位受力要大于径向杆件，但并不能说明环向杆件要比径向杆件重要，区分构件重要性简单办法是将此构件去掉，看对结构性能的影响，在本屋盖结构中如果将环向构件去掉，结构仍然可以正常工作，但如果将径向构件去掉，则剩余构件已经无法成为结构了，径向构件重要性是不言而喻的。

5)节点的受力离不开结构，在进行节点受力分析时，应考虑实际结构整体的工作状态。

[1] GB 50017—2003,钢结构设计规范[S].

Brief introduction of joints design for the steel roof of Jinan Olympic Center loutus arena

Jiang Huabing

(ChinaConstructionDesignInternational(Shenzhen)Co.,Ltd,Shanghai200433,China)

The significance of “strong joints and weak components” was described in the present paper. Principles and methods for design of joint of the roof of Jinan Olympic Center Stadium were also introduced in details. Methods for calculating the load of joint design and criterions for the estimation of joint satisfying the demand of “strong joints and weak components” were put forward. It may be a reference for engineering analysis and design.

support joint, cable joint, suspend-done structure

1009-6825(2017)15-0046-04

2017-02-28

江化冰(1978- )，男，工程师

TU391

A