神农大剧院钢结构节点设计与研究.pdf

第 43 卷 第 3 期 2013 年 2 月上 建筑结构 Building Structure Vol． 43 No． 3 Feb． 2013 神农大剧院钢结构节点设计与研究 王文渊 1， 张 松 1， 张同亿1， 姜孝林1， 李仕全1， 赵宪忠2 1 中国中元国际工程公司， 北京 100089;2 同济大学土木工程学院， 上海 200092 ［摘要］神农大剧院外壳钢结构根据连接部位的不同特点分别采用了焊接鼓形节点 A 型 、 铸钢节点 B 型 、 矩 形钢管 内带加劲板 焊接节点 C 型 、 矩形钢管直接相贯焊节点 D 型 及圆形钢管直接相贯焊节点 E 型 等多 种节点形式， 其中 A， B 及 C 型节点连接杆件较多 最多达十几根 ， 空间交汇关系复杂且受力较大。重点介绍了 A， B 及 C 型节点的设计及构造。对各型节点均进行了弹塑性节点分析， 总结了各型节点的受力性能特点及试验研 究结果， 并对其安全性进行了评价。 ［关键词］节点;模型试验;有限元分析;应力分布;安全性 中图分类号 TU313， TU391文献标识码 A文章编号 1002- 848X 2013 03- 0016- 05 Design and study on joints of the steel structure for Shennong Theatre Wang Wenyuan1，Zhang Song1，Zhang Tongyi1，Jiang Xiaolin1，Li Shiquan1，Zhao Xianzhong2 1 China IPPR International Engineering Corporation，Beijing 100089，China; 2 College of Civil Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China Abstract Such a variety of joints have been applied in Shennong Theatre as the welded steel drum-shaped joint type A ， the cast steel joint type B ，the welded rectangle steel tube joint with rib stiffeners type C ，the welded rectangle steel tube joint without rib stiffeners type D ，and the welded steel circular tube joint without rib stiffeners type E ． Among them，type A，type B，and type C joints have relatively more members to be connected sophisticatedly and subject to larger loads． The design and the technique controls of these three types of joints were introduced． Nonlinear analysis had been carried out on the perances of these joints under the design loads or beyond． Experimental results were summarized． The safety levels of these three types of joints had been investigated． Keywords joint;model test;FEM analysis;stress distribution;safety 作者简介 王文渊， 博士， 高级工程师， 一级注册结构工程师， Email wangwenyuan ippr． net。 1节点连接概况 神农大剧院工程概况详见文献［ 1］ 。其外壳钢 结构节点设计的主要内容有 1 箱形截面径向主桁 架与环向桁架杆件的汇交连接; 2 装饰架与主桁架 杆件的汇交连接; 3 装饰架径向与环向杆件的汇交 连接; 4 径向桁架弦杆与腹杆汇交连接; 5 环向桁 架弦杆与腹杆汇交连接等。 根据以往的设计研究经验， 箱形截面钢管相贯 连接多采用设置加劲肋的焊接节点， 具有空间扭曲 特征、 连接复杂或受力较大部位的节点也常采用铸 钢节点 ［2， 3］; 连接杆件数量不多的圆钢管节点可以 采用直接相贯焊节点; 当连接杆件数量较多、 空间交 汇复杂时也多采用铸钢节点形式 ［4- 6］; 平面内受力 为主的钢管节点可以采用鼓形铸钢节点 ［7］。本项 目节点连接设计涉及箱形截面钢管之间的连接、 圆 钢管之间的连接以及箱形截面钢管与圆钢管之间的 连接等多种复杂情况， 针对不同部位的汇交连接特 点， 设计采用了焊接鼓形节点 A 型 、 铸钢节点 B 型 、 矩形钢管 内带加劲板 焊接节点 C 型 ， 矩形 钢管直接相贯焊节点 D 型 、 圆形钢管直接相贯焊 节点 E 型 等多种节点形式。介绍了各类型节点 的设计及构造， 并对其进行了弹塑性性能分析， 总结 了各类型节点的受力性能特点， 对节点设计的安全 性进行了评价。 2焊接鼓形节点 A 型 如图 1 所示， 径向平面主桁架弦杆转折部位采 用焊接鼓形节点。这些部位采用焊接鼓形节点主要 是考虑到相对于铸钢节点其不但具有焊接节点工艺 简单、 质量可靠的优点， 而且相对于矩形钢管焊接节 点来说， 通过适当设计可以具有相对更大的刚度和 强度以满足这些部位受力较大的要求。另外这些部 位径向主桁架弦杆多为斜交关系而环向连接的杆件 又较多， 焊接鼓形节点既可以大大简化这些部位杆 件连接关系的复杂性， 同时相较球节点体积较小、 造 型优美。以往的工程项目中焊接鼓形节点多用于平 面内受力较大而平面外受力相对较小的部位， 但在 本项目中， 节点的平面内、 外受力均较大， 节点的设 计、 工艺控制、 加工制作的要求和难度均相应提高。 以图 1 所示 A4407 节点为例， 介绍其设计、 构造及 第 43 卷 第 3 期王文渊， 等． 神农大剧院钢结构节点设计与研究 图 1焊接鼓形节点应用位置图 节点强度验算等。 2. 1 节点构造 图 2 为焊接鼓形节点 A4407 的构造详图， 鼓形 节点的直径及厚度的取值以确保主受力杆件在节点 区不重叠为原则。经规整化后， 最大直径 900mm， 厚 400mm。节点平面内传力主要靠环板和上下盖 板。环板 采用无 缝钢 管， 厚 30mm。盖 板 厚 20 ～ 30mm， 由鼓形节点的直径及所连接的面外杆件的壁 厚及管径综合确定。为实现节点的平面外传力并保 证节点的刚度， 节点内设置十字交叉劲板， 劲板厚 20 ～ 30mm。环板 A1 、 盖板 A2 及十字劲板 A3， A4 间均采用全熔透坡口焊， 焊缝质量等级为一级， 最后焊接的盖板与十字劲板间的焊缝采用熔嘴电渣 焊工艺。 图 2焊接鼓形节点 A4407 的构造详图 2. 2 分析模拟 为初步检验 2. 1 节焊接鼓形节点设计的安全性 及合理性， 使用 ANSYS 14. 0 对该节点正常使用状 态下的受力性能及承载力极限状态进行了模拟研 究， 分析采用 Solid185 单元， 分析中考虑了几何非线 性。钢材的屈服强度取 300MPa， 采用双线性各向同 性强化模型模拟材料的弹塑性性能， 屈服后的弹性 模量取2 000MPa。ANSYS 几何模型、 节点受力、 支 座边界条件及有限单元划分见图 3。 图 4 所示为节点 A4407 在设计荷载作用下的 等效 von Mises 应力云图。应力集中现象发生在十 字劲板与盖板和环板相交的顶点处， 应力水平达到 屈服极限状态， 属尖点应力集中现象。其他部位应 力水平均未达到屈服且杆件端部区域的应力分布均 匀， 无明显应力集中区域。节点加劲板的设计保证 了节点的刚度， 使得构件截面的强度得到充分发挥。 图 3鼓形节点 A4407 的有限元模型图 图 4设计荷载下节点 A4407 von Mises 应力云图 / N/mm2 在几何及材料双非线性条件下， 节点模拟加载 至 2. 09 倍的设计荷载时达到极限状态 图 5 。模 拟结果表明， 鼓形节点 A4407 具有 2 倍以上的安全 冗余度， 满足强度设计要求。在承载力极限状态时， 鼓形节点盖板与环板交界处的应力最大 图 6 。节 点的非线性模拟表明节点的设计可以保证构件的传 力安全， 满足节点强度及刚度要求。 图 5鼓形节点 A4407 的 荷载-位移曲线 2. 3 试验研究 本项目鼓形节点连接 的杆件较多， 鼓形平面内及 平面外受力均较大， 但这类 节点的实际应用较少， 试验 数据有限。 为确保节点设计 的安全性， 在同济大学进行 了试验研究 ［8］， 试验模型 如图 7 所示， 共布置了 76 个单向应变片、 29 个应变 花以及 12 个位移计， 试验 71 建筑结构2013 年 图 6承载力极限状态下 von Mises 应力云图 / N/mm2 采用等比例静力加载至 2 倍设计荷载。 试验研究发现 当加载至 1 倍设计荷载时， 所有 测点均处于弹性状态; 当加载至 1. 4 倍设计荷载时 有 3 个测点的 von Mises 应力超过 345MPa， 但节点 及其相连杆件仍整体上处于弹性; 当加载至 2 倍设 计荷载 时， 共 有 8 个 测 点 的 von Mises 应 力 超 过 345MPa 并呈现出非线性变化。节点整体未观察到 宏观破坏现象， 节点是安全的。节点试验中应力最 大的测点位于直径最大的圆管根部的 T23 应变片， 其荷载-应力变化曲线如图 8 所示， 加载至 1. 4 倍设 计荷载后， 测点 von Mises 应力超过 345MPa， 并逐步 进入非线性变化状态， 其后的 von Mises 应力值已无 意义。 图 7节点 A4407 安装 贴片完成图 图 8节点 A4407 应变片 T23 荷载-应力曲线图 3焊接矩形钢管节点 3. 1 节点构造 焊接矩形钢管节点 1684 位于受力最大的环向 主桁架 Wh- 9 下弦杆与建筑主入口处径向空间桁架 J- 60 相交处。Wh- 9 下弦杆及腹杆分别为 377 40， 299 12 的圆管， 受力较大， 且直接相贯于节点 1684 的竖向□400 400 36 方形管上。节点连接 的杆件基本位于两个正交的竖向平面内， 连接关系 相对简单， 因此采用直接相贯焊节点形式 图 9 。 为保证节点传力的可靠性和有效性， 在竖向方管内 设置 4 块加劲板， 与 377 40 管外皮对应位置处的 加劲板厚 40mm， 其他两块与斜腹杆矩形管外皮对 应位置的加劲板厚 20mm。 3. 2 分析模拟 焊接矩形钢管节点 1684 的有限元分析模拟采 图 9焊接矩形钢管节点 1684 的构造 用的参数与节点 A4407 相同， 其 ANSYS 几何模型、 节点受力、 支座边界条件见图 10。图 11 为节点在 设计荷载作用下的等效 von Mises 应力云图， 最大等 效 von Mises 应力为 257. 44MPa， 发生在 377 40 圆管与节点相贯的棱角边缘处; 斜腹杆□300 400 20 矩形截面钢管的应力水平相对较高， 根部最大 等效 von Mises 应力 203. 08MPa。节点加劲板最大 应力 163. 83MPa， 位置同样在 377 40 圆管与节点 相贯的棱角边缘处。在设计荷载作用下， 节点最大 等效 von Mises 应力小于钢材的强度设计值， 节点设 计满足强度要求。杆件端部区域的应力分布均匀， 无明显应力集中区域。 图 10焊接矩形钢管节点 1684 的几何模型图 图 11设计荷载下节点 1684 von Mises 应力云图 / N/mm2 3. 3 试验研究 节点 1684 试验加载装置 ［8］如图 12 所示， 试件 共布置了 100 个单向应变片、 19 个应变花以及 10 81 第 43 卷 第 3 期王文渊， 等． 神农大剧院钢结构节点设计与研究 个位移计。试验采用等比例静力加载至 2 倍设计荷 载。当加载至 1 倍设计荷载时， 所有测点均处于弹 性状态; 当加载至 1. 2 倍设计荷载时，T5 测点的 von Mises 应力超过 345MPa， 但节点及其相连杆件 仍整体上处于弹性; 当加载至 2 倍设计荷载时， 共有 3 个测点的 von Mises 应力超过 345MPa。此时， 该 杆杆端连接处的应力较大， 节点整体未观察到宏观 破坏现象， 节点是安全的。 4铸钢节点 4. 1 节点构造 径向平面主桁架上弦杆屋面转折部位连接杆件 较多、 汇交密集、 受力复杂， 有些杆件夹角较小， 采用 焊接节点施焊困难， 焊接质量不易保证， 因而采用铸 钢节点。图 13 所示的铸钢节点 777 位于文献［ 1］ 图 3 所示瑒瑨轴的径向主桁架上， 该铸钢节点连接的 杆件最多 17 根 、 受力最大。铸钢节点设计依据 铸钢节点应用技术规程 CECS 235 2008 ［9］ 简 称铸钢规程 ， 钢材牌号为 G20Mn5QT， 机械性能与 物理 指 标 为 屈 服 强 度 ≥ 300MPa， 抗 拉 强 度 ≥ 500MPa， 延伸率≥22 ， 室温下冲击功≥60J。 图 12节点 1684 试验 加载装置图 图 13铸钢节点 777 应用位置图 图 14铸钢节点 777 的 几何模型图 图 15设计荷载下节点 777 von Mises 应力云图 / N/mm2 图 16荷载因子达 4. 0 时节点 777 von Mises 应力云图 / N/mm2 4. 2 分析模拟 根据以往的分析经验 ［6］， 铸钢节点的强度采用 有限单元法进行模拟可以得到与试验较为一致的预 测结果。利用 ANSYS 14. 0 对铸钢节点 777 进行了 弹塑性性能分析， 分析中考虑了几何及材料双非线 性。有限元分析 模拟 采用的参 数同节 点 A4407。 ANSYS 几何模型见图 14。 图 15 所示为节点 777 在设计荷载作用下的等 效 von Mises 应力云图。最大等效 von Mises 应力约 为 108MPa， 发生在径向桁架上弦杆 □300 350 14 施加荷载处， 满足铸钢规程式 4. 2. 4- 1 的强度 设计要求， 即 1 2 ［ σ1－ σ2 2 σ2－ σ3 2 σ3－ σ1 2 槡 ］≤f 1 式中 f 为铸钢强度设计值， 取 235MPa; 其他符号意 义见铸钢规程。 在设计荷载下铸钢节点区域的应力分布均匀， 应力水平较低。当加载至 1. 3 倍设计荷载时最大 von Mises 应力为 140MPa。 在几何及材料双非线性条件下， 节点模拟加载 至 4. 0 倍的设计荷载仍未达到极限状态。铸钢节点 777 的承载力设计值小于极限承载力的 1 /3， 亦同时 满足铸钢规程第 4. 3. 9 条及空间网格结构技术规 程 JGJ 72010 ［10］第 5. 5. 5 条的强度要求。 图 16 为荷载因子达 4. 0 时节点 777 von Mises 应力云图。 径向桁架上弦杆□300 350 14 侧面及□300 400 20 与装饰架受压弦杆根部交界处的应力较 大， 达到屈服状态， 其他区域应力分布均匀且未达到 屈服。 4. 3 试验研究 根据铸钢规程规定， 检验性试验可加载至设计 荷载的 1. 3 倍且节点应处于弹性状态。节点试验过 程中 ［8］， 当加载至 1 倍的设计荷载时， 所有测点均 处于弹性状态; 当加载至 1. 3 倍的设计荷载时， 所有 测点仍 均 处 于 弹 性 状 态， 最 大 von Mises 应 力 为 196MPa， 节点未观察到任何宏观破坏现象， 节点是 安全的。 5装饰架连接节点 如图 17 所示， 装饰架根部内侧弦杆是其受力最 大部位， 而由于两根弦杆夹角较小， 如果采用直接相 贯焊连接， 则其中一根弦杆将削弱很大， 节点连接不 能满足受力要求。通过优化比选， 采用图 17 所示变 截面箱形焊接节点 内设加劲肋 。节点根部截面 宽度与主结构上弦杆同宽， 截面高度同装饰架弦杆 高度; 节点长度取能够保证装饰架两根弦杆分叉时 91 建筑结构2013 年 的焊接工艺要求的最小距离; 节点上部的截面高度 能够保证两根弦杆与其自然平滑连接。为补强杆件 相贯造成的削弱， 节点内设置⑥号加劲板， 并要求在 其与主结构焊接完毕后才能最后焊接③号盖板。 图 17装饰架根部焊接节点图 图 18 /⑤轴装饰架环向连接节点图 图 18 为 /⑤轴出屋面装饰架环向连接节点 图。装饰架设置内设加劲板的 245 16 圆钢管节 点， 以方便环向杆件的连接。这种连接节点简化了 弦杆变截面或弯折连接， 并且可以保证了环向支撑 桁架节点刚接的设计要求， 同时此节点的设置还有 利于装饰架沿高度上的分段安装施工， 可以分段形 成整体刚度， 保证施工安全。 上述两种节点的强度经有限元模拟分析均能满 足规范要求。 6其他节点 径向平面桁架受力较小且不与环向桁架相连的 节点采用矩形钢管直接相贯焊节点 D 型 。环向 平面桁架或空间桁架中， 受力较小部位采用圆形钢 管直接相贯焊节点 E 型 形式。这两种节点采用 钢结构设计规范 GB 500172003 ［11］给出的方 法或有限单元法进行了强度验算， 结果表明均满足 规范要求。 7结论 针对神农大剧院各连接部位的不同特点， 采用 了焊接鼓形节点、 铸钢节点、 矩形及圆形钢管 内带 加劲板 焊接节点、 矩形及圆形钢管直接相贯焊节 点等不同的节点形式。重点总结了 A， B 及 C 型节 点的设计、 构造、 受力性能特点及强度验算等。分析 模拟结果表明 1 各类型节点设计合理， 简化了杆件汇交连 接， 有效避免了因杆件汇交重叠造成的连接削弱。 节点设计降低了制作、 加工及安装难度， 从而可以有 效保证施工质量。 2 各类型节点应力分布均匀、 传力流畅， 节点 具有足够且合理的刚度分布， 节点连接杆件无明显 应力集中区域， 实现了杆件截面强度的充分发挥。 3 各类型节点的设计强度均满足规范要求， 可以在工程实践中采用。 4 有限元分析模拟结果与试验结果较为一 致， 可以作为试验研究数据的补充。 5 试验研究表明 焊接鼓形节点 A4407 和焊 接箱形节点 1684 在设计荷载作用下是安全的， 且具 有一定的强度储备; 铸钢节点 777 在 1. 3 倍设计荷 载下仍处于弹性状态， 可应用于工程中。 参考文献 ［1］王文渊，张同亿，姜孝林，等． 神农大剧院螺旋形外 壳钢结构设计 ［J］． 建筑结构， 2013， 43 3 5- 9． ［2］范重， 杨苏， 栾海强． 空间结构节点设计研究进展与 实践［J］． 建筑结构学报， 2011，32 12 1- 15． ［3］黄泰赟， 蔡健． 广州歌剧院空间异型大跨度钢结构设 计［J］． 建筑结构学报， 2010，31 3 89- 96． ［4］张建军， 刘琼祥， 刘臣， 等． 深圳大运中心体育场屋盖 结构设计若干关键技术研究［J］． 建筑结构学报， 2011，32 5 48- 55． ［5］王帆， 吴波， 黄仕香， 等． 深圳大运中心体育馆铸钢节 点构造选型和模型试验研究［J］． 建筑结构学报， 2010，31 4 44- 53． ［6］丁阳， 张向荣， 王志远， 等． 天津奥林匹克中心体育场 铸钢节点试验研究 ［J］． 建筑结构学报，2008， 29 5 8- 12． ［7］陈星， 张松， 区彤， 等． 广州亚运城历史展览馆结构设 计［J］． 建筑结构学报， 2010，31 3 114- 122． ［8］株洲神农大剧院项目节点试验报告［R］． 上海 同济 大学， 2012． ［9］CECS 235 2008 铸钢节点应用技术规程［S］． 北京 中国计划出版社， 2008． ［ 10］JGJ 72010 空间网格结构技术规程［S］． 北京 中国 建筑工业出版社， 2010． ［ 11］GB 500172003 钢结构设计规范［S］． 北京 中国计 划出版社， 2003． 02