13重慶袁家崗體育中心體育場網(wǎng)殼鑄鋼節(jié)點設(shè)計

1、第!卷 第#期建 筑 結(jié) 構(gòu)年#月$%重慶袁家崗體育中心體育場網(wǎng)殼鑄鋼節(jié)點設(shè)計鄧開國（中國建筑西南李巧&%#）提要 重慶袁家崗體育中心體育場網(wǎng)殼采用了七種形式的鑄鋼節(jié)點，設(shè)計過應(yīng)用 ()*+* 和 ,-*.-*系列對節(jié)點進行了空間三維實體有限元計算。線彈性及非線性分析結(jié)果表明，最不利工況下，部分節(jié)點局部區(qū)域的峰值應(yīng)力有超過鑄鋼屈服極限的情況，但屈服區(qū)域范圍小，同時最大應(yīng)變值尚小。為驗證計算分析結(jié)果，對兩個受力較大的鑄鋼節(jié)點進行了足尺實體靜力試驗，采用分級加卸載制度獲取各級荷載下各觀測點應(yīng)力應(yīng)變值。兩者的比較表明，試驗結(jié)果與理論計算結(jié)果大致相同，最不利應(yīng)力分布范圍總體吻合。鑄鋼節(jié)點絕大部分區(qū)域處

2、于線彈性狀態(tài)，節(jié)點整體應(yīng)力水平不高，表明鑄鋼節(jié)點設(shè)計合理。 鑄鋼節(jié)點 有限元分析 應(yīng)力分布 應(yīng)變 屈服極限 足尺試驗!#$%&()*+,#)-)./0#$&+*&%1$&%23,&4$,%,&%-),0$35 -). 67-*./012 345267，859547（,:514*76;:?:5;0?;60/0=521 A0=04?:B1=;5;6;0，,:012C6&%#，,:514）87#)9,:)：D:0040=0E01;FG0=7H?4=;=;00I17C0=4C7G;0C51,:712J512+641K542412=;4C56L=;00ILH6IO512?71C5;5715=?:7=01

3、H7L4II;:0C0=521O512?71C5;571=N()*+*41C,-*.-*H515;00I0 L01;=7H;0=406=0C;7414IF=5=;:0=;0=41C=;4517H;:0?4=;=;00I17C0=ND:0414IF=5=0=6I;=0E04I;:4;L4K75;F 404=7H;:0L7=;17C0=4051;:0I70=I0E0IND:762:;:0G04OE4I607H;:0=;0=51G4;404=0Q?00C=;:0F50IC I5L5;7H;:0?4=;=;00I，4=;:0F50IC512404=40=L4II41C;:0L4Q5L6L=;4515=

4、4?0G;4MI0NB17C0;7E05HF;:0414IF=5=0=6I;=，=;4;5?;0=;71;50C76;，41C;:0=;0GMF=;0GI74C4GGIF=F=;0L5= 4C7G;0C;7H51C76;:0=;0=41C=;451E4I607H04?:;0=;512G751;ND:0?7LG45=5717H;0=6I;=51C5?4;0=;:4;:0F40M4=5?4IIF4?7C0CN*;0=7HL7=;404=7H17C0=40510I4=;5?G:4=041C;:0;7;4I=;0= I0E0I5=17;:52:ND:0C0=5217H?4=;=;00I17C0=5=0

5、4=714MI0N;0=C5=;5M6;571；=;451；F50ICI5L5;；H6II=?4I0;0=;=袁家崗體育場網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)鑄鋼節(jié)點的設(shè)計袁家崗體育場空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)整體設(shè)計情況詳見文。由于本網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的大跨度造型，每片網(wǎng)殼除南北兩著地點外，在中部與下部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)連接處增設(shè)了兩個不動鉸支座，通過四根倒傘型斜撐與網(wǎng)殼連接，以減緩大跨度的影響；而經(jīng)過整體計算后的桿件截面在桿件內(nèi)力、桿件外徑及壁厚等方面均較常見網(wǎng)架結(jié)構(gòu)大許多。因此，在兩著地點及中間不動鉸支座斜撐附近的個別節(jié)點，由于匯交桿件數(shù)量多，直徑大，采不動鉸支座（支座 T）、分別與支座 T 四根斜撐桿相連的四個鑄鋼球節(jié)點（為&，#，S，$）

6、以及支座 (上方的鼓型鑄鋼節(jié) 點（! 號 ）。 鑄 鋼件按德國 /B)U#$標準中 V*$%.1制作，材性指標為：屈服極限$!%.W4；極限強度X%.W4；延伸率$Y，設(shè)計強度取值為$!%.W4。下面重點分析!況，其空間軸側(cè)圖和#號鑄鋼節(jié)點的應(yīng)力應(yīng)變情。鑄鋼節(jié)點有限元分析鑄鋼節(jié)點的有限元分析采用大型通用有限元()*+*進行，同時對個別特殊節(jié)點還采用了 ,-*.-*?用空心焊接球節(jié)點要求，而采用了鑄鋼節(jié)點。結(jié)合工程實際，對部分節(jié)點采用了特殊節(jié)點形式（如鼓型）；對于鑄鋼球節(jié)點則參照目前的網(wǎng)殼規(guī)程，系列進行了補充計算分析，并將兩結(jié)果進行比較將工的鑄鋼球最大直徑定為S%LL；與此同時，校核，提高分析的

7、精確性。由于鑄鋼節(jié)點在整體結(jié)構(gòu)中與數(shù)根空間匯交桿件相連，在有限元分析中，必須從總體結(jié)構(gòu)中選取恰當?shù)蔫T鋼節(jié)點模型形式，才能保證計算分析的結(jié)果接近于真實工作中的鑄鋼節(jié)點受力狀態(tài)，從而達到理論分析服務(wù)于工程設(shè)計的目的。因此， 在鑄鋼節(jié)點分析模型中，按實際鑄鋼節(jié)點形式建立空間實體模型。為考慮模型的加載，在非支座的分析模對于這部分節(jié)點則從各種計算工況中選取最不利情況下的相關(guān)桿件內(nèi)力作為節(jié)點荷載進行有限元分析計算，以評估節(jié)點的安全儲備，進而為整體網(wǎng)殼的安全性評估提供依據(jù)。兩片網(wǎng)殼采用鑄鋼節(jié)點$# 個，七種節(jié)點形 式。七種形式分別為：南北著地點支座（支座 (）、中間$型中按實際工作狀態(tài)加入與鑄鋼節(jié)點相連的各

8、桿（ 各桿取一定長度），并將各桿的內(nèi)力作為節(jié)點荷載施加在整體計算模型桿端；而對鑄鋼支座，則在支座與桿件相數(shù)值誤差而會使計算程序誤認為節(jié)點不平衡而令計算失真，同時結(jié)合整體計算中各空間匯交桿件均按二力桿考慮的實際情況，因此選取剛度最大的桿件端面施連的端面上施加以面積所對應(yīng)的內(nèi)力值。由于分加空間約束（ 其軸向變形最小而忽略或不予忽略析中的空間實體鑄鋼節(jié)點模型包括空間匯交桿件，最小桿件尺寸為!#$，為確保分析的精確性，有限元分析中采用空間四面體!#節(jié)點單元，最小網(wǎng)格尺寸控制在%#& 以內(nèi)。根據(jù)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)整體計算的% 種工況，分別選取各節(jié)點在其幾種最不利工況下的內(nèi)力作為荷載，對上述七種形式鑄鋼節(jié)點均進行了

9、有限元分析，計算時首先假定材料處于彈性工作狀態(tài)。時，將其變形值作為強迫位移），從而實現(xiàn)計算與實際盡可能吻合。鑄鋼節(jié)點最不利工況內(nèi)力表!注：!）與!,號鼓型節(jié)點相連的!# 根桿，分別以最大兩桿（!00#$(#）最大內(nèi)力控制；(）與!號節(jié)點相連的!#根桿，以最大桿（!1(#$,1）最大內(nèi)力控制；,）拉為“5”，壓為“2”，以下各表同。有限元彈性分析下的各鑄鋼節(jié)點總體應(yīng)力由于與節(jié)點相連的各空間桿件，在網(wǎng)殼總體設(shè)計時已通過構(gòu)件計算確保滿足強度條件，鑄鋼節(jié)點有限元分析的主要目的在于反映節(jié)點應(yīng)力水平，從而檢驗其安全性能。因此，對于有限元計算結(jié)果，將鑄鋼節(jié)點本身的應(yīng)力狀況作為分析的重點，而對于在節(jié)點分析中因

10、直接加載而造成的空間匯交桿件局部加載點應(yīng)力集中所產(chǎn)生的應(yīng)力峰值則不予關(guān)注。各鑄鋼節(jié)點彈性分析時應(yīng)力情況概要見表(。(),圖! 鑄鋼節(jié)點空間軸測圖節(jié)點最不利工況節(jié)點最不利工況的確定基于其相連桿件在各組工況下的內(nèi)力值，分別從中選取各自最大拉、壓力出現(xiàn)的工況，以該工況為控制工況，取該工況下各桿內(nèi)力為節(jié)點荷載進行節(jié)點分析。遵循以上原則，經(jīng)計算的節(jié)點最不利工況組數(shù)依次為：支座 * 三組、支座 +六組、鼓型節(jié)點兩組、其余鑄鋼球節(jié)點各一組。!, 號節(jié)點的兩組最不利工況各桿內(nèi)力及! 號節(jié)點的一組最不利工況下的各桿件內(nèi)力如表!所示。()!鼓型（!,號）鑄鋼節(jié)點()彈性計算下的應(yīng)力分布規(guī)律!)整體而言，兩工況下應(yīng)

11、力分布呈現(xiàn)區(qū)域性特點，分約束情況對于兩支座 *，+，根據(jù)實際支承情況，對支座底板按兩種約束情況分別考慮完全固端約束和水平面固端約束（考慮僅在水平面內(nèi)固端約束的原因是為了反映支座受拉而使底板離開約束面的不利情況）。理論上， 鑄鋼球節(jié)點通過空間匯交桿件內(nèi)力自身滿足平衡條件而無須施加約束，但由于實際數(shù)值計算總會有微小的()(別在節(jié)點與連接端口處加載點、連接端口與鼓型面相交周邊均有應(yīng)力集中區(qū)域，而鼓形面其余絕大部分區(qū)域內(nèi)應(yīng)力水平較低。工況一最大應(yīng)力出現(xiàn)在鼓形面上連接端口（連接 /(）與鼓形面的相交處的局部區(qū)域內(nèi)，應(yīng)力峰值為4#),1678；工況二彈性計算下應(yīng)力峰值達到,#)(678，出現(xiàn)在鼓形面上連接

12、端口（連接,0鑄鋼節(jié)點與工況桿件桿件截面（&）桿件內(nèi)力（-.）!, 號鼓 型 節(jié) 點， /0， /分別出現(xiàn)最 大 拉壓力工況/!/(/,/0/%/1/4/!#!#$!(#,$!(!04$!#$!00#$(#!#$!,(0$!%!00#$(#!#$!#$,1()020,030%),20,3,2(,()!01312(#!)#!1%3,!01)#2%#1(34 2!)4,342!(%),(#!31,(!)42%,43(2%)(%3!2,)230! 號鑄 鋼 球 節(jié) 點，/ 出現(xiàn)最大壓力/!/(/,/0/%/1/4/!#!,(0$!%!#($(#!(0$!1(#$,1!#$!(!#($(#!#($(#

13、!#($(#!#($(#!#($(#2!4#)124,1)20!0)#2!#44%)1,00)!2,(,)2#44)12(,1)2,#%)02(1%)1桿 !）與鼓形面相交區(qū)域內(nèi)的微元點上。值!,的值），但 !,較 !&更接近鼓形面中部，受連接面位置的影響，在 !, 連接端口與鼓形面的連接周彈性計算時節(jié)點!# $%&折算應(yīng)力表(邊區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了整個節(jié)點的最大應(yīng)力值。.(*/#$%工況二：!處外加面荷載最大，同時 !/處外加面荷載亦很大（!值!/值），應(yīng)力疊加，整個節(jié)點的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在連接端口與鼓形面的連接()*+,#$%!/周邊區(qū)域內(nèi)，這是受鼓形面形狀變化影響的關(guān)系。圖 為鼓型節(jié)點工況一靜力彈

14、性計算的應(yīng)力分布。,為了從數(shù)值上更明確地掌握該節(jié)點的應(yīng)力水平，將兩工況下連接端口上施加的斷面面積平均內(nèi)力值、端口加載點 #2343折算應(yīng)力峰值、連接端口與鼓形面相交周邊的 #2343折算應(yīng)力峰值列表比較，見表（!列表示與為! 的桿相連端口）。圖鼓型鑄鋼節(jié)點工況一彈性計算下應(yīng)力分布,非線性分析下的節(jié)點應(yīng)力和應(yīng)變,*鼓型節(jié)點區(qū)域分布應(yīng)力值（#$%）表)由于鼓型節(jié)點在工況二中應(yīng)力峰值點達到了 ()*+,#$%，超過了鑄鋼材料的屈服極限設(shè)計值 （,(#$%），此時節(jié)點部分區(qū)域已進入彈塑性階段，因此有必要進行非線性有限元分析，非線性分析中假定鑄鋼材料為理想彈塑性，遵循屈服準則。678 #2343經(jīng)非線性

15、計算，該工況下節(jié)點應(yīng)力峰值從彈性計算下的()*+,#$%降到了,(+*+#$%，在該峰值相臨的局部區(qū)域內(nèi)應(yīng)力水平有所提高，這是鑄鋼節(jié)點峰值點接近屈服而發(fā)生應(yīng)力重分布、峰值點向相臨區(qū)域卸載的結(jié)果。整體而言，非線性計算下的鼓型節(jié)點總體應(yīng)力分布狀況與彈性計算下的三個區(qū)域相對一致。與此同時，節(jié)點局部應(yīng)力峰值區(qū)域很小，非線性計算的最大應(yīng)變值為(*(./+，節(jié)點此時仍然有相當?shù)母挥鄰谋砜梢钥闯?，該?jié)點應(yīng)力分布可歸納為鼓形面、連接端口以及鼓形面與連接端口相交周邊三個區(qū)域，其中各部分的應(yīng)力水平有如下規(guī)律。（&）連接端口的應(yīng)力水平主要受相連接空間桿件的內(nèi)力控制，除兩端（分別為加載端和與鼓形面相交區(qū)承載力。非線性

16、計算下的應(yīng)變情況。域）外，整體應(yīng)力分布均勻，應(yīng)力值均低于端面處施加的面荷載，其具體應(yīng)力水平由該連接端口與其連接桿件的相對剛度值確定。（,）鼓形面除與連接端口相交周邊局部應(yīng)力集中區(qū)域外，其余區(qū)域整體應(yīng)力水平很低；在遠離連接端口的大片鼓形面區(qū)域中，兩工況下應(yīng)力值均低于,(#$%。（）鼓形面與連接端口相交周邊區(qū)域的應(yīng)力值主要受連接端口及其相連桿件內(nèi)力的控制，但同時也受其在鼓形面上位置的影響：整體而言，連接區(qū)域越接近鼓形面中部（左右兩端面的轉(zhuǎn)角部位），連接處的應(yīng)力對連接端口應(yīng)力的放大越明顯（兩工況中僅!.例外）。（+）工況一：!&+-與 !,處施加的面荷載最大（!& 的圖 鼓型鑄鋼節(jié)點工況二非線性計算

17、下的應(yīng)變桿 端!&!,!+!-!/!)!.!&(工況一外加均布力.*)(+*&+.*+.*,*/,/*&(/*,/)*&(&.*.)*,(端口應(yīng)力峰值/+*(/*(.-*-)-*,-*.,.*/-&(*(,&*+&.*()*)/端口與鼓形面相交周邊應(yīng)力+*-(.(*/+*(.(*-/,*.(,*-,*&-,-*,(工況二外加均布力&(*(-*),&,*+*&)&-*&(&/+*.&,*/&*)(&+&*/&*-.端口應(yīng)力峰值&(+*)(/+*.(&*(-+*.(&+)*-(&)*.(&(*-(&,*.(&+,*-(,*)端口與鼓形面相交周邊應(yīng)力&,-*+(&,*&(&(+*()*.,()*+,

18、&.*(./*/*/鑄鋼節(jié)點峰值應(yīng)力（#$%）峰值應(yīng)變峰值應(yīng)力情況說明&號鼓型節(jié)點()*+,(*(&-工況二最大內(nèi)力桿 ! 與鼓型 面轉(zhuǎn)折點相交區(qū)域&號球節(jié)點,*.(*(&.桿端加載處的點上區(qū)域內(nèi)應(yīng)力!,(#$%&)號球節(jié)點-+*)&(*(&/.三桿與球面交匯點上&.號球節(jié)點,)*(*(&+最大內(nèi)力桿與球面相交端的局部微小區(qū)域內(nèi)，球面大部分 應(yīng) 力 ! &(#$%支座 0(+*)(*(&+)兩桿匯交處與節(jié)點肋板的相交點上區(qū)應(yīng)力!,(#$%支座 1,&*-(*(&()兩桿匯交段與節(jié)點底板相接處，核心區(qū)應(yīng)力!&-(#$%球型（$%號）鑄鋼節(jié)點體育場鋼網(wǎng)殼節(jié)點中尤顯重要的$* 號和$% 號鑄鋼節(jié)點進

19、行空間足尺實體模型試驗。!#彈性計算下的應(yīng)力分布規(guī)律號鑄鋼節(jié)點在空間各桿連接端口與球面相接$%試件材性試驗經(jīng)中國船舶工業(yè) 材料與結(jié)構(gòu)試驗檢測中心測試，相應(yīng)材性指標為：$* 號和$% 號節(jié)點所在批試件屈服強度!0 分別為!-#，*!#()。針對試驗節(jié)點，靖江市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所受托進行節(jié)點檢驗，其中$* 號節(jié)點的屈服強度 !0 為 !#()；$% 號節(jié)點的為 !&/()。*$圓環(huán)區(qū)域有應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力區(qū)域內(nèi)平均應(yīng)力值約為$&$()；節(jié)點峰值應(yīng)力達到*#+%$()，出現(xiàn)在 ,&桿件與球面的交匯處。整體而言，$% 號鑄鋼節(jié)點的應(yīng)力分布主要劃分為兩類區(qū)域：連接端口與球面相接圓環(huán)區(qū)域，連接端口及球

20、面遠離交匯區(qū)域。在圓環(huán)區(qū)域外的節(jié)點區(qū)域，整體應(yīng)力水平均較低。$%號節(jié)點彈性計算下的應(yīng)力分布。由于應(yīng)力空間節(jié)點足尺實體模型試驗網(wǎng)殼$* 號、$% 號節(jié)點三種工況的足尺模型靜力*!峰值點超過鑄鋼屈服極限設(shè)計控制值，需對該節(jié)點進行非線性分析。試驗于!/*的構(gòu)件年.至&月在西南交通大學完成，試驗中和工況均與有限元分析中一致。試驗采用分級加載制度，試驗荷載達到設(shè)計荷載的$! 倍，并測取了各級荷載下各測點的應(yīng)力應(yīng)變值。彈性理論計算與試驗比較如表+所示。試驗結(jié)果與理論計算結(jié)果大致相同，節(jié)點最不利位置范圍與理論分析結(jié)果總體一致，說明理論計算一定程度上可以接近節(jié)點的真實應(yīng)力情況；相對而言，理論計算下節(jié)點應(yīng)力值較

21、試驗測定值偏高，但節(jié)點絕大部分區(qū)域處于線彈性狀態(tài)。其中$*號（ 鼓型）鑄鋼節(jié)點，在倍設(shè)計荷載的試驗加載下，,. 桿件管腳最大應(yīng)力$!達到了!674空心管結(jié)構(gòu)連接設(shè)計指南4科學社，&0024注：計算應(yīng)力對應(yīng)設(shè)計荷載，實測應(yīng)力一對應(yīng)設(shè)計荷載；實測應(yīng)力二對應(yīng)&,/倍設(shè)計荷載。強士中等4重慶體育中心體育場鋼網(wǎng)殼節(jié)點結(jié)構(gòu)實體試+,驗4西南交通大學，中國建筑西南，/114錢等4重慶袁家崗體育場網(wǎng)殼罩棚鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)4中.,結(jié)論通過對工!國建筑科學結(jié)構(gòu)所，/114 （上接第/.頁）線不相交，其他的三條能力譜曲線雖然和需求譜曲線相交，其交點對應(yīng)的基底剪力距離結(jié)構(gòu)的承載力極限非常接近，結(jié)構(gòu)已經(jīng)處于較 狀態(tài)。參考文獻

22、七種形式鑄鋼節(jié)點的有限元分析和其中兩個重要節(jié)點的實體試驗，綜合理論分析與試驗結(jié)果如下結(jié)論： （&）理論分析與試驗結(jié)果總體一致，表明采用有限元的理論分析能夠反映鑄鋼實體節(jié)點的真實應(yīng)力水平，該方法可行；因此，對于工的大多數(shù)節(jié)點，采用有限元分析能夠達到模擬試驗的效果，可以大大節(jié)省試驗費用，同時仍能較好地反映出節(jié)點的實際應(yīng)力狀態(tài)。，吳 斌，龍 旭等4飯店消能減振抗震加固分析與設(shè)&,計：時程分析法4工程與工程振動，/11&，/&（-）4等4飯店等重要建筑消能減振抗震加/,固設(shè)計方法4建筑結(jié)構(gòu)學報，/11&，/（/）4 , ?6:6A7%B:%) C$D4%EF%BA=:=GA:6E%BA5#CHI6GG

23、65BG=76AJKA5;6AL:4$M4C4;A:LA:667A:L，?B%:G=7;P:A67ABQ，&00+4（ ）理論分析與試驗結(jié)果在一定程度上存在著差/別，這說明對于部分應(yīng)力水平相對較高，節(jié)點位置相對重要的鑄鋼節(jié)點進行實體試驗是必要的，尤其對于工的極個別關(guān)鍵節(jié)點，理論分析與實際情況的客觀差別可能會阻礙節(jié)點設(shè)計最不利狀況的發(fā)現(xiàn)。因此，在理論分析的基礎(chǔ)上對部分關(guān)鍵節(jié)點補充實體試驗是必要的。熊向陽，戚振華4側(cè)向荷載分布方式對靜力彈塑性分析的影響4建筑科學，/11&，&2（+）4+, 96EKFBD7%RA:!E67，?6:67A7%B:%)C$D4$7=%:;5=:=G%NFMJ=67%:%EQA=G6A