張弦桁架結構大型節(jié)點空間相貫節(jié)點承載力分析

張弦桁架結構大型節(jié)點空間相貫節(jié)點承載力分析

廣州國際會議展覽中心主展廳的屋頂采用張繩子結構，由框架、預拉桿和支撐桿組成。張繩子框架的長度為126.6m，截面寬度為3m，高度為2.3m，高3.537.10m。支撐的上部為2.45714，下部為480（1925），腹部桿為1686和2739。拉索為包裹層防護層的扭曲拉索，兩端為冷杉，支撐桿為25.75。一、空間相貫節(jié)點承載力的試驗驗證上部鋼管桁架相貫節(jié)點(圖1)的設計采用現(xiàn)行鋼結構規(guī)范提出的空間相貫節(jié)點承載力計算公式進行?？臻g相貫節(jié)點承載力計算公式表明節(jié)點最大承載力由腹桿軸力控制,節(jié)點可以承受的腹桿軸力與弦桿鋼材的強度設計值、弦桿的外徑和壁厚、腹桿軸線與弦桿軸線的夾角、腹桿外徑與弦桿外徑之比、受壓腹桿與受拉腹桿間的間隙等因素有關?？臻g相貫節(jié)點承載力計算公式是根據(jù)國內(nèi)外大量的試驗數(shù)據(jù)回歸分析提出的。已有的試驗數(shù)據(jù)多為中小直徑鋼管的試驗數(shù)據(jù),大直徑鋼管的節(jié)點試驗數(shù)據(jù)很少。為了驗證該公式能否適用于本桁架的大型節(jié)點,通過兩個足尺的大直徑雙K型相貫節(jié)點的試驗進行了驗證。兩者的結果比較表明,用上述公式計算是可靠的,見表1。另外,還把腹桿與弦桿的相貫連接節(jié)點分別按剛接和鉸接假設進行了桁架整體分析,并與試驗結果進行了比較,結果表明按剛接計算更接近實際情況。二、鑄鋼節(jié)點的任務和加工工藝桁架與預應力拉索的連接節(jié)點是張弦桁架結構中至關重要的節(jié)點(圖2)。預應力是通過這個節(jié)點對鋼索進行張拉而建立起來的。與這個節(jié)點相連的下弦桿和拉索是整個結構中受力最大的桿件,之間的夾角很小。為了解決它們互相干涉的問題,把節(jié)點與下弦桿相連的部分設計成錐形的筒,使拉索從筒壁斜穿而過。拉索的端部錨固在錐形筒尾部的大圓盤上。做成大圓盤可以給張拉預應力鋼索的穿心千斤頂提供反力架的支座。此外該節(jié)點還連接著桁架的腹桿、桁架端部的垂直支撐和下部的混凝土支承結構,為了滿足諸多要求,該節(jié)點形狀就變得特別復雜,以致于必須用鑄鋼來加工該節(jié)點才能實現(xiàn)。鑄鋼節(jié)點的形體和受力復雜,采用ANSYS軟件對它的受力情況進行了分析。計算采用10節(jié)點4面體實體單元。應力分析結果如圖3所示。節(jié)點最大Mises應力為280MPa,位于拉索錨固端部,小于材料的屈服強度,且應力分布非常不均勻,高峰應力僅出現(xiàn)在少數(shù)部位,呈點狀分布,因此即使出現(xiàn)高峰應力超過屈服點的極限狀態(tài),也可以期待鋼材的塑性使高峰應力重新分布而趨于平緩,因而不會產(chǎn)生強度破壞。鑄鋼節(jié)點用于建筑結構,在國內(nèi)經(jīng)驗還不很多。張弦桁架的兩端的兩個節(jié)點重量約為4.5,6.5t,是國內(nèi)建筑結構中首次采用的超大型鑄鋼節(jié)點。鑄鋼節(jié)點的材質(zhì)必須滿足強度方面的要求和良好的可焊性要求,設計采用國內(nèi)鑄造廠專門冶煉的優(yōu)質(zhì)稀土低合金鋼,參照德國標準DIN17182,要求其抗拉強度不小于450MPa,屈服強度不小于250MPa,延伸率不小于24%。關于鑄鋼節(jié)點的加工工藝評定、檢驗方法、缺陷的修補等,由于沒有用于建筑結構的鑄鋼節(jié)點的國家標準,施工和驗收參考德國標準DIN1690制定了專項標準。鑄鋼節(jié)點強度可通過材料試驗進行檢驗。對于其可焊接性能,則結合焊接工藝評定進行了檢驗。為了確保鑄鋼節(jié)點在實際工程中的工作性能,工程對其進行了足尺試驗以驗證其承載力。三、滑動鉸支護的結構張弦桁架的一端是一個理想的鉸節(jié)點,見圖4。由于該張弦桁架跨度達126.6m,溫度變形相當大,為了減少溫度作用引起的內(nèi)力,把張弦桁架的另一端設計為一個滑動鉸支座,即在上述鉸節(jié)點的下面另加了一片不銹鋼板、一片聚四氟乙烯板,如圖5所示。聚四氟乙烯板與不銹鋼板的摩擦系數(shù)為0.1,桁架支座對它的壓力為1700kN,所以支座對桁架的水平摩擦反力最大為170kN。為了簡化分析,先把支座看成一個理想的滑動鉸支座,以后再另加一個170kN的水平力以模擬摩擦力對結構的作用。四、撐桿鋼球節(jié)點撐桿與拉索的連接節(jié)點應滿足兩個基本設計要求:1)能讓撐桿在張弦桁架平面內(nèi)繞節(jié)點轉動,因此張拉預應力索時,撐桿會隨之發(fā)生轉動;2)要保證節(jié)點在拉索上不會發(fā)生滑動,避免結構可能變成一個機構。撐桿與拉索的連接節(jié)點(圖6)主要由一個錐體和上、下兩個半球構成。錐體上面與撐桿相連,下面與兩個半球相連。兩個半圓由四個螺栓連接,并將拉索夾在其間。上半球的上部有一個圓塊伸入錐體中的圓槽,可以在錐體的圓槽中轉動,以形成縱向的鉸。為了保證撐桿鋼球節(jié)點不致在拉索上發(fā)生滑動,必須擰緊半球上的四條高強螺栓,使半球對拉索產(chǎn)生足夠的壓力,從而使兩者之間產(chǎn)生足夠的摩擦力。必須注意的是隨著內(nèi)力的增大,拉索直徑會有微量的減小。如果在安裝時只是一次擰緊半球上的螺栓,那么在拉索受力增加后直徑變小,兩個半球對拉索的壓力就會下降,從而導致兩個半球與拉索之間的摩擦力產(chǎn)生顯著的下降而發(fā)生相對滑動。因此必須隨著拉索內(nèi)張力的增加,逐次擰緊半球上的高強螺栓。在實際工程中則通過試驗確定了擰緊半球上的四個螺栓的扭矩和半球與拉索之間的摩擦力的對應關系。因此,在桁架上的全部永久荷載作用下,高強螺栓的最終扭矩值對應的摩擦力是撐桿在拉索上可能產(chǎn)生的最大滑動力的5倍以上,保證了節(jié)點具有足夠的抗滑安全儲備。五、平面外繞著節(jié)點轉動撐桿與桁架下弦的連接節(jié)點則比較簡單,為一理想鉸節(jié)點,可使撐桿在桁架平面內(nèi)繞著節(jié)點轉動(如圖7所示)。另外,鉸節(jié)點的軸和軸孔間留有一定的間隙,允許撐桿在平面外發(fā)生微小的擺動。當撐桿下端發(fā)生平面外的微小位移時,拉索會產(chǎn)生一個力使撐桿恢復到原位