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 徐士杰1  賈海濤1  王正云1  黃永春1  馮  鋒2徐聯(lián)民2

 （1．青島綠城建筑設(shè)計有限公司，山東青島266000；2．中建鋼構(gòu)有限公司，重慶400045）

摘  要：網(wǎng)架結(jié)構(gòu)已經(jīng)在建筑工程領(lǐng)域廣泛應用，而傳遞網(wǎng)架結(jié)構(gòu)內(nèi)力的關(guān)鍵部位之一就是鑄鋼節(jié)點，滿足網(wǎng)架節(jié)點的受力要求是保證網(wǎng)架結(jié)構(gòu)安全的必要條件。重慶江北機場新建航站樓實體網(wǎng)架工程中的空間鑄鋼節(jié)點不僅空間造型各異，而且受力情況相對復雜，為此，對此網(wǎng)架節(jié)點進行力學性能分析。首先通過ANSYS有限元軟件分析了節(jié)點區(qū)域在設(shè)計荷載作用下應力分布情況以及變形量，判斷其能否滿足實際工程設(shè)計要求；其次通過試驗分級加載得到荷載-位移曲線和此時的應力及變形云圖；然后進一步研究了節(jié)點破環(huán)時的一些特征；最后對此類異形鑄鋼節(jié)點使用及施工過程提出優(yōu)化建議。

關(guān)鍵詞：鑄鋼節(jié)點；有限元分析；結(jié)構(gòu)；試驗DOI:10.13206/j.gjg201606010

 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)已在建筑工程中廣泛應用，許多大跨度、大體量、平面復雜、體型新穎的異型殼體等大型公共建筑相繼出現(xiàn)。重慶江北國際機場新建T3A航站樓同樣采用了正交正放四角錐鋼桁架，網(wǎng)格主要平面投影尺寸為6mx6 m，網(wǎng)架高度為4~6 m。其平面沿南北向設(shè)置了4道天窗帶，天窗帶兩側(cè)屋蓋有1~4.3 m高差，建筑造型要求屋蓋下表面也形成相應高差，天窗處采用立體桁架結(jié)構(gòu)，桁架節(jié)點采用大量的鑄鋼節(jié)點。由于網(wǎng)架天窗部位部分鑄鋼節(jié)點構(gòu)造最為復雜，端口較多，受力較大，對其進行有限元分析是保證該工程順利進行的必要條件。

 為了使工作更具代表性，所選取的鑄鋼節(jié)點都是位置比較典型，受荷相對較大的節(jié)點，只要選取的節(jié)點能夠滿足強度要求，其他鑄鋼節(jié)點承載力亦沒有問題。網(wǎng)架上鑄鋼節(jié)點的選取位置見圖1。

1  網(wǎng)架結(jié)構(gòu)鑄鋼節(jié)點的應用現(xiàn)狀及特點

 隨著空間結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展，結(jié)構(gòu)的跨度越來越大，結(jié)構(gòu)形式日趨多樣，結(jié)構(gòu)中構(gòu)件間節(jié)點的連接方式和力學性能亦日趨復雜，而節(jié)點構(gòu)造是否合理，對結(jié)構(gòu)的受力性能、施工工藝、工程造價都有相當大的影響。目前，傳統(tǒng)的焊接球節(jié)點、鋼管相貫節(jié)點等節(jié)點形式難以在構(gòu)造及制作工藝上滿足要求，因此，具有良好適用性的鑄鋼節(jié)點受到工程界的青睞。鑄鋼節(jié)點可以避免或降低構(gòu)件相接處的應力集中程度，具有節(jié)點設(shè)計自由度大、外形美觀等特點。

 在國外，鑄鋼節(jié)點已有很多成功應用的實例，如日本名古屋體育館的單層球面網(wǎng)殼，采用了帶加勁肋的圓柱狀鑄鋼節(jié)點；德國斯圖加特機場航站樓的主體結(jié)構(gòu)為樹狀仿生結(jié)構(gòu)，其“主干”與“支干”的連接部位全部采用了鑄鋼相貫節(jié)點。國內(nèi)一些工程也大量使用鑄鋼節(jié)點，如上海新國際博覽中心、鄭州國際會展中心、天津奧林匹克體育中心等。

 重慶T3A航站樓所采用的鑄鋼節(jié)點就是將鑄鋼材料通過鑄型而成的一種節(jié)點，將鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件、部件或板件連接成一整體。該節(jié)點較以往其他工程使用的鑄鋼節(jié)點受力更為復雜、造型更為迥異。相比于傳統(tǒng)焊接節(jié)點，重慶江北機場新建T3A航站樓所用的鑄鋼節(jié)點具有如下特點：

 1)鑄鋼節(jié)點在工廠內(nèi)整體澆鑄，在局部高應力區(qū)形成圓角和圓滑過渡的截面，不僅可免去相貫線切割及重疊焊縫焊接引起的應力集中，將應力集中系數(shù)降低到原來的40%，而且具有美觀的流線型外形。2）節(jié)點設(shè)計自由度大，可根據(jù)建筑外形、受力狀況、澆鑄工藝等設(shè)計出最合理的截面形狀，以改善節(jié)點的應力分布狀況。3）節(jié)點整體澆鑄而成，壁厚一般大于相鄰構(gòu)件，節(jié)點剛度大且整體性好。4）疲勞性能、耐腐蝕性能、抗震性能均好。

 鑄鋼件選用CECS 235: 2008《鑄鋼節(jié)點應用技術(shù)規(guī)程》的G20Mn5高強度低合金材質(zhì)，鑄鋼件通過熱處理不僅有較高的強度和韌性，且焊接性能良好，有利于現(xiàn)場的施工和焊接。詳細的力學性能見表1。

由于鑄鋼節(jié)點數(shù)量較多，本分析選取了網(wǎng)架中部分受力較大的上弦或下弦節(jié)點為分析對象，分析內(nèi)容基本可以覆蓋其他節(jié)點受力情況，所選取的鑄鋼節(jié)點形式見圖2。

2  有限元分析

2.1  有限元模型

 由于T3A航站樓中的鑄鋼節(jié)點體型復雜，直接在ANSYS中建模很困難，所以首先采用Solid Works進行有限元實體模型的建立，根據(jù)鑄鋼件實際尺寸采用1：1進行模型建立，然后導入ANSYS進行分析，鑄鋼節(jié)點為剛性節(jié)點，因此要選有節(jié)點轉(zhuǎn)動的實體單元，采用三維實體單元對幾何模型進行網(wǎng)格劃分，每個單元有10個結(jié)點（4個角點和6個中間結(jié)點），每個結(jié)點有6個自由度，采用局部加密的自適應法劃分節(jié)點計算模型的網(wǎng)格。

2.2荷載及邊界條件

 分析中鑄鋼假定為理想的彈塑性材料，材料的彈性模量為2. 06×105 M Pa，泊松比為0.3，屈服強度為360 M Pa，進行彈塑性分析時，采用von Mises屈服準則及相關(guān)的流動法則。由于鑄鋼球管節(jié)點的壁比較厚，為提高計算精度，網(wǎng)格劃分控制單元尺寸為25 mm。根據(jù)MST 2011求出的各個桿件的軸力，鑄鋼節(jié)點各個桿件的內(nèi)力是平衡的，為了使結(jié)果反映節(jié)點的真實受力狀態(tài)，邊界條件為節(jié)點在某一工況下桿件軸力、彎矩及剪力反向施加與該節(jié)點上。

2.3有限元計算分析

 根據(jù)重慶T3A整體網(wǎng)架的計算模型，用軟件MST計算得出各鑄鋼節(jié)點在最不利工況組合下的各桿端內(nèi)力，該內(nèi)力即為有限元分析中所施加給節(jié)點的荷載。整體網(wǎng)架工況種類共有157種，限于篇幅，只考慮最不利的4種工況，以鑄鋼節(jié)點ZGJ -6為例，只需考慮以下4種最不利工況：工況2，即荷載組合為“1.2靜+ 1.4活”；工況27，即“1.2靜+1.4活+0. 84風”，工況74，即“1.2靜+1.4活+0. 84風+0. 84溫(+40℃)”；工況94，即“1.2靜+1.4風+0. 84溫(+40℃)”。這4種工況的分析荷載可以覆蓋其他所有工況的受力情況，由于本次測試的鑄鋼節(jié)點是典型的空間三維結(jié)構(gòu)，節(jié)點在荷載作用下的安全性是以節(jié)點的應力低于其設(shè)計強度為標準。為此，根據(jù)上述4種工況下所受荷載大小，采用通用有限元程序ANSYS模擬鑄鋼節(jié)點在上述工況下所產(chǎn)生的應力、應變、變形，并以此作為評價鑄鋼節(jié)點安全性的依據(jù)。

 根據(jù)設(shè)計荷載進行線彈性靜力分析，對具體的6個鑄鋼節(jié)點ZGJ -1、ZGJ -2、ZGJ -3、ZGJ -4、ZGJ -5、ZGJ -6（圖2）全部進行有限元分析，選取典型的鑄鋼節(jié)點ZGJ -6計算后得到變形圖、von-Mises應力云圖如圖3-圖6所示。

 從以上結(jié)果可知，ZGJ -6在4種工況下最大應力為180. 01  M Pa，小于最大的屈服應力360 M Pa。

 節(jié)點ZGJ -3在工況2下的應力為273. 98 M Pa，是鑄鋼節(jié)點在所有工況下的最大應力，小于最大的屈服應力360 M Pa，滿足設(shè)計要求。

2.4  彈塑性極限承載性能分析

 鑄鋼節(jié)點彈塑性極限承載力分析時，材料的本構(gòu)關(guān)系采用理想彈塑性模型，限于篇幅，本節(jié)僅給出最大荷載步的von Mises應力云圖。

 當荷載值為2倍設(shè)計荷載時，節(jié)點有部分區(qū)域進入塑性區(qū)，最大應力發(fā)生在支管與主管交匯的部位，其von Mises應力云圖如圖7所示。

3試驗對比

 為了確保計算結(jié)果的準確性，選取鑄鋼件節(jié)點ZGJ-6進行了實體足尺試驗（圖8），探究在指定工況2作用下的受力性能，對此節(jié)點進行軸向拉壓試驗，檢驗其承載能力水平是否滿足設(shè)計要求。本次試驗采用與實際工程中相同截面的支管，并采用相同的連接方式與鑄鋼件節(jié)點進行對接。

 在試件加工時將鑄鋼件與各支管焊接，并在支管端部通過端板處的螺栓與油缸固定。加載過程中將指定工況下的荷載施加于桿端，忽略數(shù)值較小的彎矩和剪力，只施加軸向荷載。另外腹桿3和腹桿6因荷載過小，故沒有進行接長，放棄加載。

 本試驗采用逐級加載，最大加載到指定工況的1.3倍，最終卸載歸零。在加載至指定工況的1.3倍時，鑄鋼件各腹桿和弦桿的管身中部軸向應力的有限元理論計算結(jié)果及其與試驗過程中在鑄鋼件相應位置實測得到的軸向應力的比較情況見表2，表中每根桿件測點的實測結(jié)果為各管身中部測點軸向應力的平均值。

 由表2可知試驗結(jié)果與有限元模擬得到的理論值存在些許差異。通常這種差異來自幾個方面：有限元軟件本身的誤差，有限元模型就是一個離散模型，與實際鑄鋼件構(gòu)件相比存在離散化誤差，同時有限元模擬方法是建立在一些先行假設(shè)的基礎(chǔ)上，這些假設(shè)也有可能會帶來誤差；試驗簡化帶來的誤差，如本工程忽略了桿端的剪力和彎矩；建模參數(shù)存在差異，由于試驗過程中人為的客觀影響因素很多，不可能完全與軟件模擬的條件、狀況相同。忽略

這些差異，從表2可以看出，有限元計算結(jié)果完全可以滿足精度要求。

4  結(jié)束語

 1)通過對6個鑄鋼節(jié)點在4種不利控制荷載工況下的受力分析可知，節(jié)點的最大應力均小于材料的屈服強度值，所有鑄鋼節(jié)點基本處于彈性狀態(tài)，滿足正常使用極限狀態(tài)受力要求及結(jié)構(gòu)的安全要求。鑄鋼相貫節(jié)點的應力分布具有區(qū)域性特點，大部分鑄鋼構(gòu)件的應力最不利位置為各管匯交區(qū)域，由于應力集中，應力值較大。遠離匯交區(qū)域的鑄鋼管整體應力水平較低。節(jié)點最大應力為273. 98 M Pa，小于最大的屈服應力360 M Pa，滿足設(shè)計要求。

 2)由節(jié)點的彈塑性極限承載力分析可知，鑄鋼節(jié)點的最大承載力達到了最不利荷載工況的1.3倍以上，部分節(jié)點的最大承載力達到了最不利荷載工況的6倍，表明鑄鋼節(jié)點有較高的承載力儲備，用于結(jié)構(gòu)上是安全的。

 3)本次計算分析的鑄鋼節(jié)點具有數(shù)量多、體型大、結(jié)構(gòu)復雜、施工難度高等特點，通過試驗對有限元計算結(jié)果加以驗證，為以后類似的復雜工程提供計算方法和試驗數(shù)據(jù)。