中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會
建筑鋼結(jié)構(gòu)分會主辦
摘 要：廣博節(jié)點不僅受力復(fù)雜，而且加工制作影響因素多，現(xiàn)場施工需要考慮交叉工藝。本文通過分析廣博節(jié)點特點，提出了復(fù)雜節(jié)點概念及總體設(shè)計原則；結(jié)合梁柱節(jié)點、吊桿節(jié)點、桁架節(jié)點相關(guān)性設(shè)計，介紹了復(fù)雜節(jié)點相關(guān)性設(shè)計內(nèi)容和思路，供類似工程節(jié)點設(shè)計參考。
關(guān)鍵詞：復(fù)雜節(jié)點；相關(guān)性設(shè)計；構(gòu)造優(yōu)化；制作工藝；施工工藝
1 工程概況
廣東省博物館新館項目鋼結(jié)構(gòu)分為四大部分：核心筒鋼管柱及樓層圈梁，5～6層懸臂桁架體系，吊桿及樓層結(jié)構(gòu)，外圍護(hù)立面墻體系。其節(jié)點類型主要有：鋼管混凝土柱與框架梁的連接節(jié)點、吊桿與樓層梁的連接節(jié)點、主桁架節(jié)點及預(yù)應(yīng)力相關(guān)節(jié)點等重要節(jié)點（圖1）。
圖1 結(jié)構(gòu)整體及剖面（復(fù)雜節(jié)點構(gòu)造優(yōu)化與制作）
梁柱節(jié)點：布置于核芯筒體混凝土剪力墻內(nèi)的鋼管柱（直徑650mm直縫鋼管）與樓層結(jié)構(gòu)對應(yīng)標(biāo)高的框架圈梁及樓層梁（截面有II1300×800、H1000×400、H700×300、口1000×650等）連接形成梁柱節(jié)點（圖2）。
吊桿節(jié)點：在5～6層懸臂桁架內(nèi)外設(shè)置吊桿，懸掛3～4層樓面體系。外圍主要設(shè)置DG1（口650×650）吊桿，內(nèi)有四束121φp7預(yù)應(yīng)力拉索；內(nèi)圍主要設(shè)置DG2（φ299）鋼管吊桿，內(nèi)有一束121φp7預(yù)應(yīng)力拉索。吊桿與樓層梁（口1000×650、H700×300）連接形成吊桿節(jié)點（圖3）。
圖2 梁柱節(jié)點 圖3 吊桿節(jié)點
桁架節(jié)點：5～6層懸臂桁架體系是本工程的主
要受力系統(tǒng)。桁架共8榀，采用雙向交叉平面桁架，桁架高度8m，上下弦采用1.5m×1m箱型截面，腹桿與弦桿等寬為1m，高度從0.8～1.5m不等。桁架上弦內(nèi)設(shè)預(yù)應(yīng)力索，下弦、腹桿及節(jié)點內(nèi)灌注混凝土。桁架節(jié)點主要分為：下弦雙向交叉的雙K節(jié)點，桁架平面內(nèi)單K節(jié)點兩類。其中與預(yù)應(yīng)力相關(guān)的主要節(jié)點有：端部預(yù)應(yīng)力索錨固節(jié)點，預(yù)應(yīng)力索轉(zhuǎn)向節(jié)點等（圖4）。
圖4桁架節(jié)點（復(fù)雜節(jié)點構(gòu)造優(yōu)化與制作）
2 復(fù)雜節(jié)點相關(guān)性設(shè)計原則
復(fù)雜節(jié)點是指節(jié)點受力復(fù)雜、內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜、加工制作工藝復(fù)雜、安裝施工工藝難的節(jié)點。節(jié)點設(shè)計不僅要保證節(jié)點在各種受力工況下的安全性，還要滿足加工制作工藝和安裝施工工藝的可實施性。
2.1復(fù)雜節(jié)點的特點
廣博項目中，復(fù)雜節(jié)點的特點是：
1）節(jié)點受力復(fù)雜。本工程結(jié)構(gòu)體系具有三大特點：懸掛結(jié)構(gòu)、組合結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，在三種受力體系的共同作用下其節(jié)點受力異常復(fù)雜，需要針對不用的受力特點分別設(shè)計。
2）節(jié)點構(gòu)造設(shè)計交叉工藝影響多。桁架內(nèi)、吊桿內(nèi)設(shè)置了預(yù)應(yīng)力拉索，梁柱節(jié)點、桁架下弦、腹桿及節(jié)點內(nèi)需要灌注混凝土，這些施工工藝都影響著節(jié)點的構(gòu)造設(shè)計。
3）制約因素多。有些節(jié)點翼板需要整體下料，復(fù)雜的節(jié)點構(gòu)造限定了結(jié)構(gòu)的分段，大量節(jié)點需要在工廠制作成為整體，不僅使深化設(shè)計、構(gòu)件加工難度大，同時給構(gòu)件的運輸和鋼結(jié)構(gòu)安裝帶來困難。
4）節(jié)點超大、超重、超厚。本工程最大節(jié)點尺寸為4800mm×4800mm×3100mm，重達(dá)43.5t，最厚板件為80mm。
2.2復(fù)雜節(jié)點相關(guān)性設(shè)計原則
針對本工程節(jié)點特點，結(jié)合制作工藝、施工安裝方法及節(jié)點受力性能對本工程的復(fù)雜節(jié)點構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。充分發(fā)揮構(gòu)件材料的強(qiáng)度，確保節(jié)點不先于構(gòu)件破壞，構(gòu)造簡單、傳力直接，保證其在各種荷載作用下的安全性，同時滿足各交叉工藝的施工要求，且加工制作相對簡單。
3 復(fù)雜節(jié)點相關(guān)性設(shè)計
3.1梁柱節(jié)點相關(guān)性設(shè)計
梁柱節(jié)點為了保證鋼管柱內(nèi)灌注混凝土的連續(xù)性，取消內(nèi)環(huán)加勁板；部分箱形鋼梁截面寬度大于鋼管柱，不能直接相貫；剪力墻區(qū)域內(nèi)梁柱節(jié)點箱形截面鋼梁內(nèi)需要灌注混凝土。根據(jù)以上節(jié)點特點進(jìn)行相關(guān)性設(shè)計如下：
1）鋼管柱內(nèi)取消內(nèi)環(huán)加勁板，在節(jié)點牛腿上下翼緣設(shè)置環(huán)向布置的補強(qiáng)加勁板，增強(qiáng)鋼管柱的局部強(qiáng)度。截面尺寸大的箱形截面牛腿翼緣板整板下料，開孔鋼柱貫通，也增加了節(jié)點域的剛度(圖5)。
圖5 梁柱節(jié)點構(gòu)造示意（復(fù)雜節(jié)點構(gòu)造優(yōu)化與制作）
2）對于箱形截面鋼梁寬度大于鋼管柱截面，與鋼管柱相貫腹板不能直接傳遞剪力，通過設(shè)置兩道豎向加勁板或通過另外一個方向鋼梁的腹板將剪力傳遞到鋼管柱上。這樣傳力路線明確且工廠加工制作簡單易行。
3）核心筒內(nèi)鋼管柱及節(jié)點區(qū)箱形梁內(nèi)需灌注混凝土，為了降低混凝土灌注難度，在箱型牛腿腹板處上部開設(shè)灌注孔，在內(nèi)部加勁板上開設(shè)混凝土流通孔，為了保證混凝土灌注的密實性在鋼柱附近上翼緣板開設(shè)透氣孔。
3.2吊桿節(jié)點相關(guān)性設(shè)計
原吊桿節(jié)點設(shè)計為“只傳剪力，不傳彎矩”的鉸接節(jié)點，吊桿尺寸為600mm×600mm，穿過樓層梁上下翼緣板（與翼緣板不連接）。剪力從樓層梁腹板通過兩道豎向加勁板傳遞到吊桿上，吊桿內(nèi)部節(jié)點域設(shè)置十字加強(qiáng)板；彎矩通過翼緣板繞過吊桿傳遞，實現(xiàn)了連續(xù)梁的作用。內(nèi)部加勁板形成了一個個密閉箱體，存在焊接死角，即使優(yōu)化節(jié)點組裝順序也不能滿足要求，工廠加工制作難度極大（圖6）。
圖6 吊桿節(jié)點原設(shè)計方案（復(fù)雜節(jié)點構(gòu)造優(yōu)化與制作）
吊桿節(jié)點相關(guān)性設(shè)計具體如下：
1）節(jié)點經(jīng)優(yōu)化后改為剛接節(jié)點，吊桿截面改為650mm×650mm，剪力直接通過腹板傳遞到吊桿（圖7），取消間接傳遞剪力的加勁板。
梁腹板與吊桿翼緣連接焊縫和吊桿本身翼腹焊縫重疊，為了避免焊縫重疊，將吊桿在腹板高度范圍內(nèi)向外延伸50mm與腹板對接（圖8）。
（2）箱型梁上下翼緣整板下料，開孔保證吊桿貫通，同時上下翼緣在開孔范圍向外延伸300mm彌補開孔對其截面的削弱。
圖7翼緣板整板下料
圖8吊桿節(jié)點構(gòu)造示意（復(fù)雜節(jié)點構(gòu)造優(yōu)化與制作）
3）吊桿內(nèi)十字加勁板應(yīng)根據(jù)受力情況采用不同的焊縫形式，在三個受力端采用全熔透一級焊縫，非受力端采用雙面角焊縫，保證了十字加勁板與吊桿焊接的可操作性（圖8）。
3.3桁架節(jié)點相關(guān)性設(shè)計
桁架節(jié)點構(gòu)造設(shè)計不僅要保證承載力的要求，還要結(jié)合工廠加工制作工藝、預(yù)應(yīng)力施工工藝、混凝土灌注工藝等因素綜合考慮。
3.3.1單K、雙K節(jié)點相關(guān)性設(shè)計
單K節(jié)點相關(guān)性設(shè)計原則：1）在節(jié)點域?qū)⑾覘U端部局部加厚，以保證其在各種荷載作用下的安全性；2）在相鄰腹桿之間設(shè)置豎向連接板，保證腹桿受力的有效傳遞，避免局部應(yīng)力的產(chǎn)生；3）調(diào)整腹桿端部板件的角度，以改善傳力，保證焊接操作條件；4）在桁架弦桿區(qū)內(nèi)設(shè)置橫、縱向構(gòu)造加勁板，提高節(jié)點承載能力和局部剛度；5）對于大拘束度厚板焊接避免焊接層狀撕裂現(xiàn)象產(chǎn)生。
單K節(jié)點構(gòu)造優(yōu)化：
1）在相鄰腹桿之間設(shè)置腹桿連接板解決不同截面的腹桿連接，腹板連接板的高度要滿足焊接最小操作空間的要求，取最小高度為300mm。連接板厚度取兩腹桿中板件最大厚度的1.5倍(圖9)。
圖9單K節(jié)點構(gòu)造圖（復(fù)雜節(jié)點構(gòu)造優(yōu)化與制作）
2）調(diào)整腹桿端部下翼緣板件的角度，使其與弦桿翼板的角度θ≥60°，保證了焊接的操作空間，改善了傳力路徑，同時增大了節(jié)點域剛度。
3）在弦桿區(qū)域設(shè)置水平受力加勁板，同時又在水平受力加勁板之間增設(shè)了一道構(gòu)造加勁板和縱向構(gòu)造加勁板，增大節(jié)點域剛度。水平受力加勁板厚度與對應(yīng)的腹桿翼緣板厚相同，構(gòu)造加勁板厚度根據(jù)規(guī)范要求取20mm。
4）節(jié)點弦桿上翼板厚度一般為35mm～80mm，其焊接拘束度較大，焊接過程容易產(chǎn)生層狀撕裂現(xiàn)象。因此，首先對于承受面外作用力的厚板（≥40mm）要求Z15性能，另外采用合理的焊接剖口形式（圖10）。
圖10 焊接剖口優(yōu)化
5）桁架節(jié)點與腹桿連接，為了對接處的吻合，在節(jié)點制作加工中增加端口回字構(gòu)造加勁板，以保證端口的矩形度。在腹桿之間、與弦桿的交角增加散力板，消耗一部分由腹桿傳遞到節(jié)點域的內(nèi)力，增強(qiáng)了點的承載能力。
3.3.2 雙K節(jié)點相關(guān)性設(shè)計
雙K節(jié)點構(gòu)造設(shè)計的原則：1）沿用單K節(jié)點的1）、3）、4）、5）四個原則；2）在四個腹桿中心設(shè)置“受力筒”，同時四個方向腹桿上翼緣板在同一標(biāo)高上，保證傳力順利、均勻，避免局部應(yīng)力過大；3）兩個方向相交應(yīng)該避免焊縫重疊；4）在焊接無法達(dá)到的條件下，保證主要焊縫，放棄次要焊縫；5）滿足運輸要求。
雙K節(jié)點構(gòu)造優(yōu)化：
1）節(jié)點一般構(gòu)造設(shè)計參見單K節(jié)點。
2）雙K節(jié)點腹桿四個方向匯交在一起，為了避免腹桿上翼板相交高度不同引起的局部應(yīng)力，需要將上翼板調(diào)整在同一高度上，共同通過一個“受力筒”傳遞內(nèi)力。在“受力筒”內(nèi)設(shè)置傳力加勁板和加強(qiáng)加勁板（圖11）。
圖11 雙K節(jié)點構(gòu)造圖（復(fù)雜節(jié)點構(gòu)造優(yōu)化與制作）
3）為了避免相交處焊縫重疊，以一個方向的腹桿、弦桿貫通，另一個方向通過內(nèi)部加勁板連接的方式設(shè)計，同時腹桿以腹板為主，翼板與之相焊。
圖12 雙K節(jié)點相貫示意（復(fù)雜節(jié)點構(gòu)造優(yōu)化與制作）
貫通的腹桿腹板存在不同板厚的對接，對接焊縫錯開另外方向腹桿腹板與之相貫的焊縫，在中間對接（圖12）。貫通弦桿與斷開弦桿連接，將貫通弦桿的翼緣板伸出50mm與另外翼緣板對接（圖12）。
4）節(jié)點下弦與鋼管柱連接，下弦翼板受到很大的局部壓力，在下弦相交范圍內(nèi)設(shè)置了十字加勁板加強(qiáng)。通過優(yōu)化節(jié)點組裝順序，首先保證十字加勁板與弦桿下翼板的焊縫；其次十字加勁板與弦桿腹板采用雙面角焊縫，保證局部應(yīng)力通過剪力形式傳遞到節(jié)點；最后放棄十字加勁板與弦桿上翼板的焊接。
5）對于桁架下弦雙向交叉的雙K節(jié)點，為了保證節(jié)點的整體性，其節(jié)點尺寸為4800mm×4800mm×3100mm，重量為43.5t，超過的運輸范圍。工廠制作按整體節(jié)點放樣、下料，點焊預(yù)拼裝，然后分開運輸至現(xiàn)場進(jìn)行拼焊。
3.3.3 預(yù)應(yīng)力相關(guān)節(jié)點相關(guān)性設(shè)計
預(yù)應(yīng)力相關(guān)節(jié)點是在桁架單K節(jié)點的基礎(chǔ)上，需要考慮預(yù)應(yīng)力工藝的節(jié)點，所有節(jié)點構(gòu)造設(shè)計除了要滿足單K節(jié)點的要求，還要滿足預(yù)應(yīng)力工藝的施工、受力要求。
預(yù)應(yīng)力相關(guān)節(jié)點構(gòu)造優(yōu)化：
1）考慮預(yù)應(yīng)力施工工藝，在桁架節(jié)點處設(shè)置拉索導(dǎo)管，保證了鋼絞線穿入不受節(jié)點內(nèi)加勁板的影響；在轉(zhuǎn)向處設(shè)置導(dǎo)向管，保證了鋼絞線能夠平緩、自然過渡；在上弦離節(jié)點兩端開設(shè)導(dǎo)索工藝孔，保證了鋼絞線穿入的連續(xù)性。
2）拉索張拉后，在轉(zhuǎn)向處產(chǎn)生很大的徑向作用力，在錨固端產(chǎn)生很大的局部壓力，均需要進(jìn)行局部加強(qiáng)。轉(zhuǎn)向處在拉索底部設(shè)置縱向支撐板，每隔300～500mm設(shè)置徑向加勁板。錨固端部在兩束預(yù)應(yīng)力拉索之間設(shè)置豎向承壓板，與腹板共同承擔(dān)壓力，同時設(shè)置水平加勁板保證受壓板的局部穩(wěn)定（圖13）。
圖13 預(yù)應(yīng)力拉索節(jié)點構(gòu)造（復(fù)雜節(jié)點構(gòu)造優(yōu)化與制作）
3）預(yù)應(yīng)力吊桿錨固在桁架下弦端部節(jié)點上，下部樓層吊重均需通過此節(jié)點傳遞到桁架上。為了減少節(jié)點受力的復(fù)雜性，降低加工制作的難度，將吊桿拉索錨固在節(jié)點腹桿上，并通過剪力傳遞樓層吊重（圖14）。
4）主桁架節(jié)點上設(shè)置兩道平行拉板與樓層吊桿節(jié)點連接，形成了特殊的拉板節(jié)點，拉板將部分樓層重量傳遞到節(jié)點上，為了避免弦桿的下翼板產(chǎn)生層狀撕裂，將弦桿腹板貫通向下延伸80mm與拉板對接，同時設(shè)置拉板節(jié)點域加強(qiáng)板，在節(jié)點內(nèi)部對應(yīng)位置設(shè)置加強(qiáng)板（圖14）。
圖14 預(yù)應(yīng)力錨固及拉板節(jié)點構(gòu)造
3.3.4 混凝土灌注工藝相關(guān)性設(shè)計
桁架內(nèi)所有節(jié)點需要灌注混凝土，在桁架單K、雙K節(jié)點構(gòu)造設(shè)計的基礎(chǔ)上，考慮混凝土灌注工藝，保證混凝土灌注的完整性、可達(dá)性、密實性。
1）在桁架節(jié)點腹桿對應(yīng)的兩個密閉空腔內(nèi)分別設(shè)置混凝土灌注孔，上弦節(jié)點的上翼板設(shè)置兩個ф140灌注孔；下弦節(jié)點的上翼板設(shè)置兩個方形（200mm×200mm）灌注孔。
2）桁架上弦、腹桿、下弦相互不貫通，且內(nèi)部設(shè)置了大量的水平加勁板，形成了一個個相互獨立的密閉空間，為了保證桁架內(nèi)混凝土全部灌注到位，在內(nèi)部加勁板上設(shè)置了混凝土流淌孔。
3.3.5 預(yù)應(yīng)力相關(guān)節(jié)點有限元計算分析
預(yù)應(yīng)力拉索轉(zhuǎn)向處、錨固端受力復(fù)雜，為了準(zhǔn)確把握節(jié)點的受力特點和影響因素，利用大型有限元軟件Ansys進(jìn)行分析，結(jié)果表明節(jié)點進(jìn)行局部加強(qiáng)處理后其受力性能得到了提高（圖15--圖17）。
1）節(jié)點有限元分析結(jié)果。
圖15 拉索轉(zhuǎn)向節(jié)點Mises應(yīng)力MPa
圖16 拉索錨固節(jié)點（一）Mises應(yīng)力MPa
圖17 拉索錨固節(jié)點（二）Mises應(yīng)力MPa
2）結(jié)果分析：從節(jié)點等效應(yīng)力云圖可以看出，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在勁板交錯、小夾角的位置，節(jié)點區(qū)最大等效應(yīng)力為329.058MPa。節(jié)點區(qū)翼緣板和腹板的等效應(yīng)力都遠(yuǎn)小于鋼材屈服強(qiáng)度，可見節(jié)點承載力完全滿足要求。
4 復(fù)雜節(jié)點相關(guān)性設(shè)計推廣
1）提出復(fù)雜節(jié)點定義及相關(guān)性設(shè)計內(nèi)容。
2）結(jié)合廣博復(fù)雜節(jié)點的相關(guān)性設(shè)計，提出復(fù)雜節(jié)點相關(guān)性設(shè)計總體原則：充分發(fā)揮構(gòu)件材料的強(qiáng)度，確保節(jié)點不先于構(gòu)件破壞，構(gòu)造簡單、傳力直接，保證在各種作用下的安全性，同時滿足各交叉工藝的要求，且加工制作相對簡單。
3）復(fù)雜節(jié)點域可以通過局部增加板厚，設(shè)置加勁板等措施提高承載力，也可以通過細(xì)部構(gòu)造實現(xiàn)受力性能的要求（如釋放翼緣、焊接腹板實現(xiàn)只傳剪不受彎的受力要求；設(shè)置轉(zhuǎn)向支撐板承擔(dān)預(yù)應(yīng)力拉索轉(zhuǎn)向引起的徑向壓力等）。
4）復(fù)雜節(jié)點設(shè)計要實現(xiàn)焊接的可達(dá)性，保證工廠加工制作的可實施性：箱形截面受力加勁板采用電渣焊保證四邊焊縫，構(gòu)造加勁板在滿足構(gòu)造要求的前提下采用三邊焊避免焊接死角；多向相交節(jié)點應(yīng)從構(gòu)造上避免焊縫重疊現(xiàn)象；厚板焊接采用合理的焊接剖口形式避免層狀撕裂；結(jié)合節(jié)點組裝順序設(shè)置加勁板。
參考文獻(xiàn)：
[1]廣東省博物館新館施工圖紙，2005.
[2]鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]（GB 50017-2003）．中國計劃出版社，2003．
[3]國家體育場焊接方管桁架單K節(jié)點設(shè)計研究[J]范重 彭翼 李鳴 趙莉華 陳以一 趙憲忠，建筑結(jié)構(gòu)，2006年 05期
[4]建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程[S]（JGJ 81-2002）．中國建筑工業(yè)出版社,2002．
|
： 