懸掛式鋼結(jié)構(gòu)拉索連接節(jié)點的研究

賈海波，郭 寧，王 超，王云升

（中建八局第二建設(shè)有限公司，山東 濟南 250014）

索結(jié)構(gòu)作為現(xiàn)代大跨度建筑結(jié)構(gòu)的主要形式之一，已在國內(nèi)外大型工程項目中得到廣泛應(yīng)用。建筑索結(jié)構(gòu)在我國的應(yīng)用已有數(shù)十年歷史，近十幾年來，它得到了迅速的發(fā)展和大量的推廣應(yīng)用。索結(jié)構(gòu)節(jié)點在索結(jié)構(gòu)施工中尤為重要，其一直作為影響索結(jié)構(gòu)施工安全與質(zhì)量的重要因素，通過對國內(nèi)大量的索結(jié)構(gòu)工程的連接節(jié)點的深入研究借鑒，成功的研制出懸掛索坡道節(jié)點。

某項目屋蓋采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，地面以上觀景螺旋坡道采用索體懸掛結(jié)構(gòu)，項目采用索結(jié)構(gòu)固定室外螺旋坡道，索體為鋼拉桿，。該懸掛拉索結(jié)構(gòu)不同于一般索結(jié)構(gòu)，除兩端張拉固定外，拉索中間節(jié)點還需要支撐坡道鋼梁，為保證實際施工拉鎖施工質(zhì)量，項目決定采用分段式鋼拉索，另外拉索鋼坡道無法直接相連，需采用專門的構(gòu)造節(jié)點將兩端鋼拉索與鋼坡道三者之間連接。這樣拉索除在索中節(jié)點位置承受坡道豎向集中荷載，拉索節(jié)點還要承受坡道橫向荷載，并需要一定的剛度以滿足水平變形要求。需要對懸掛坡道拉索的節(jié)點進行細致的受力研究。

1 研究概況

1.1 索體連接節(jié)點設(shè)計原則

索體與其它構(gòu)件或結(jié)構(gòu)無法直接相連，需采用專門的節(jié)點構(gòu)造。目前主要通過在拉索端頭設(shè)置連接環(huán)或螺桿連接件等方式與主體結(jié)構(gòu)連接。實際工程中的節(jié)點構(gòu)造需考慮制作工藝和安裝的要求，節(jié)點的剛度、嵌固能力等有時難以達到與計算假定一致，所以在結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計時應(yīng)考慮到節(jié)點剛度或變形的影響。拉索節(jié)點的設(shè)計應(yīng)遵循以下原則。

（1）索-索-構(gòu)件連接應(yīng)盡量對中、無偏心。

（2）索的連接應(yīng)確保索不能滑動。

（3）索-索的連接件按與索等強設(shè)計。

（4）索-構(gòu)件的連接件可按實際受力進行設(shè)計，關(guān)鍵節(jié)點的連接件宜按與索等強設(shè)計。

圖1 鋼拉桿節(jié)點詳圖

1.2 拉索節(jié)點形式

由于該項目拉桿與構(gòu)件與結(jié)構(gòu)無法直接連接，需采用專門節(jié)點構(gòu)造，項目與設(shè)計開會交流，參考了國內(nèi)大型鋼結(jié)構(gòu)工程節(jié)點方式，如中國航海博物館鋼拉桿節(jié)點、寶雞游泳體育館典型鋼拉桿節(jié)點、寶安體育場鋼拉桿節(jié)點詳圖、鄂爾多斯市伊金霍洛旗全民健身中心鋼拉桿節(jié)點等，設(shè)計了科技館鋼拉桿新的節(jié)點形式。

拉桿連續(xù)貫通節(jié)點，與拉桿相連的H形鋼梁下翼緣支撐在鋼拉桿下部的支托上，上翼緣通過緊固件與拉桿固定，為減少節(jié)點變形的影響，在支托與鋼梁間、拉桿與H形鋼梁的套筒間均設(shè)置橡膠墊層。橡膠墊層與其余各構(gòu)件間能夠傳遞法向壓力和切向摩擦力、不傳遞法向拉力。

1.3 拉索節(jié)點分析方法研究

1.3.1 幾何模型建立方法

確定節(jié)點形式之后，組織對節(jié)點的受力進行分析。首先，利用AutoCAD軟件對節(jié)點進行三維建模，H形鋼梁截取至與節(jié)點外相連的連接板處，中間鋼拉桿不斷開，穿過H形鋼梁。將AutoCAD 中的三維模型輸出為“.sat”格式的文件。導(dǎo)入至Ansys有限元軟件中。

1.3.2 單元類型選擇

對鋼拉桿、錨具、H 形鋼梁以及橡膠墊板，選擇20節(jié)點的3D實體單元進行有限元模擬。對橡膠墊板與其余構(gòu)件間的接觸面，由于只能夠傳遞法向壓力和切向摩擦力而不能夠傳遞法向拉力，采用3D8節(jié)點面面元 Conta174模擬橡膠墊板的接觸面，采用3D目標元Targe170模擬其余構(gòu)件的接觸面。

對節(jié)點，在有限元計算時，荷載施加在H形鋼梁的截斷面上，面荷載采用3D結(jié)構(gòu)表面效應(yīng)單元 Surf154。

1.3.3 網(wǎng)格劃分

采用自由劃分的方式對圖4所示的幾何模型進行網(wǎng)格劃分，為了減小計算時間，將H形鋼梁分為網(wǎng)格加密區(qū)、普通區(qū)兩部分。

1.3.4 約束與荷載施加方法

根據(jù)節(jié)點實際受力情況，假定鋼拉桿一端固定、一端自由，對拉桿+y方向的端部截面施加全約束，對其-y方向的端部截面不施加約束，對無約束截面施加垂直于該面并指向-y方向的預(yù)拉力。分析最不利工況下受力狀況。

1.3.5 計算結(jié)果與分析

（1）節(jié)點整體：拉桿節(jié)點整體應(yīng)力云圖，由圖可見：H形鋼梁的應(yīng)力值明顯小于拉桿的應(yīng)力值，+y方向拉桿應(yīng)力值要大于-y方向拉桿的應(yīng)力值（僅指下圖中可見的兩段拉桿），主要原因是除拉桿預(yù)拉力外，H形鋼梁所受剪力均指向-y方向；故此處的應(yīng)力較大。

圖2 拉桿節(jié)點整體應(yīng)力云圖

（2）錨具與拉桿：沿yoz面將拉桿和錨具剖開，就拉桿整體而言，以y軸為中心，應(yīng)力沿拉桿橫截面均勻分布；對于H形鋼梁套筒范圍內(nèi)的拉桿，以xoz面為對稱平面，±y方向拉桿應(yīng)力分布基本對稱；

對于錨具范圍內(nèi)的拉桿，由于截面突變，與相鄰鋼拉桿段相比，應(yīng)力發(fā)生突變。

（3）H形鋼梁與橡膠墊板：項目通過分應(yīng)力云圖，發(fā)現(xiàn)H形鋼梁截斷面上下翼緣及轉(zhuǎn)角等截面突變處應(yīng)力較大，以yoz面為對稱平面，±x方向的應(yīng)力呈對稱分布；最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在+y方向H形鋼梁截面的上翼緣加載位置，其值為265.42MPa，小于鋼材的屈服強度。且這主要為應(yīng)力集中和加載片的邊緣效應(yīng)產(chǎn)生的，對結(jié)構(gòu)受力不產(chǎn)生影響。

沿yoz面將H形鋼梁剖開，由切面應(yīng)力云圖H形鋼梁上翼緣套筒邊緣應(yīng)力值很小，不超過5.00MPa，而下翼緣相應(yīng)區(qū)域應(yīng)力值較大，60MPa左右。

圖3 整體應(yīng)力云圖

（4）變形計算結(jié)果與分析：沿yoz面將拉桿節(jié)點剖開，H形鋼梁位移較大，最大可達1.98mm，-y 方向；橡膠墊板的位移值小于前者，最大可達 1.70mm，-y方向。

-y 方向橡膠墊板變形較大，而+y 方向橡膠墊板及拉桿、H形鋼梁等變形很小，基本為零。結(jié)合圖8，可得：H形鋼梁截斷面受到-y方向外荷載作用，其位移值比±y方向錨具的位移都要大，致使兩者之間的橡膠墊板在+y方向脫離而-y方向受到擠壓，造成+y方向橡膠墊板變形很小而-y方向橡膠墊板變形較大。

2 結(jié)語

該項目一方面通過借鑒國內(nèi)大型鋼結(jié)構(gòu)工程的節(jié)點尋找靈感，另一方面考慮鋼結(jié)構(gòu)坡道與索體之間連接如采用剛性連接容易出現(xiàn)破壞，采用鉸接可以釋放結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力，項目通過與設(shè)計協(xié)商成功的研發(fā)了拉索連接節(jié)點，該節(jié)點具有減震、可調(diào)節(jié)的優(yōu)點，有效的解決了索體與螺旋鋼結(jié)構(gòu)坡道之間的連接，保證了節(jié)點的穩(wěn)定，吸收變形產(chǎn)生的多余能量，具有良好的減震效果，有效減少節(jié)點變形，同時對于類似索體結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計亦有很強的借鑒經(jīng)驗。