基于可靠度的復(fù)雜建筑空間結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接方法

何 平，劉海亮

(揚(yáng)州大學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000)

1 引言

從古至今，人類經(jīng)常面臨火災(zāi)、地震等自然災(zāi)害，像1976年的唐山大地震、2008年的汶川大地震等，不僅使工程遭到惡劣的破壞，而且使人們生命財(cái)產(chǎn)損失慘重。建筑的安全性與抗震性是工程中的重中之重，同時(shí)也是國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界一貫重視的研究課題[1]。隨著我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，全國各地出現(xiàn)許多扭曲復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)建筑，雖美觀新穎，但造型施工非常復(fù)雜[2]，現(xiàn)有三種方法解決復(fù)雜建筑空間結(jié)構(gòu)外表皮，解決方法分別為：①為達(dá)到最好的效果，可以將雙曲面面板材料及支撐桿件彎曲成要設(shè)計(jì)的造型，但該方法存在造價(jià)成本及加工精度高，施工進(jìn)度慢，且材料損耗嚴(yán)重的弊端；②若不破壞建筑的整體效果，可以采用單曲面或平面面板模擬層疊或階梯狀的方法，使用該方法的建筑具有非常強(qiáng)的層次感。③對于各種不規(guī)則的復(fù)雜空間曲面[3]，最常用的方法是使用三角形平面面板模擬方法，該方法具有廣泛的適用性。以上三種方法都存在支撐桿件和面板材料之間產(chǎn)生縫隙的風(fēng)險(xiǎn)，即其緊密度低，導(dǎo)致面板間不共面及設(shè)計(jì)模型與真實(shí)結(jié)構(gòu)存在誤差等。因此復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)面臨極大的技術(shù)困難，如安裝繁瑣、不易施工、桿件之間角度偏差大等[4]。合理有效的節(jié)點(diǎn)連接方法可以充分提升復(fù)雜建筑的可靠度與穩(wěn)定性。

許多相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者為此付出諸多努力，如姜寶龍等人為進(jìn)一步提升結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接穩(wěn)定性，試驗(yàn)研究鋼混凝土梁空間節(jié)點(diǎn)抗震性能[5]，但該方法在對建筑空間結(jié)構(gòu)的可靠度和穩(wěn)定性提升效果不顯著；趙俊賢等人研究防屈曲支撐鋼框架滑移連接節(jié)點(diǎn)抗震性能[6]，該方法雖抗震性比較高，但造價(jià)高，施工難度大。因此為解決現(xiàn)有研究復(fù)雜建筑空間結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)抗震性低，施工難度大等問題，進(jìn)一步提高其可靠度和穩(wěn)定性，本文提出基于可靠度的復(fù)雜建筑空間結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接方法，有效提高復(fù)雜建筑空間結(jié)構(gòu)的可靠度。

2 復(fù)雜建筑空間結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接方法

2.1 復(fù)雜建筑空間結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原則

將球頭部署到復(fù)雜建筑空間結(jié)構(gòu)的桿件連接裝置的球頭支撐螺桿上端，部署過程中利用螺母穩(wěn)定[7]，支撐螺桿低端的螺紋同螺紋套筒上端協(xié)同，實(shí)現(xiàn)球頭支撐螺桿的旋轉(zhuǎn)控制，間接實(shí)現(xiàn)耳板連接組件空間位置的控制[8]。

為確保建筑空間結(jié)構(gòu)外表平整，需調(diào)節(jié)耳板組件的前后位移[9]，該位移可利用旋轉(zhuǎn)球頭連接的支撐螺桿和加長支撐螺桿的螺紋螺向進(jìn)行調(diào)節(jié)，且兩個支撐螺桿的螺紋螺向需要保持相異性。

由于加工與安裝的影響，會對桿件之間產(chǎn)生角度誤差，該誤差可利用增加耳板連接組件與可旋轉(zhuǎn)連接耳板進(jìn)行消除。為獲得不同數(shù)量的桿件，可在桿件相交位置增加或減少連接耳板。通過小幅度調(diào)整支撐柱上的耳板確保球頭節(jié)點(diǎn)連接角度誤差最低化，增強(qiáng)施工質(zhì)量[10]。

2.2 復(fù)雜建筑空間結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案

耳板連接組件及該組件中的連接耳板構(gòu)成復(fù)雜建筑空間結(jié)構(gòu)桿件連接裝置，其中弧形長條孔和嵌入槽組成耳板連接組件，長條孔可調(diào)整連接耳板間的夾角，連接耳板可圍繞耳板連接組件轉(zhuǎn)動，亦可在嵌入槽里旋轉(zhuǎn)[11]。耳板連接組件又稱環(huán)形嵌入槽，其由連接柱的兩端分別連接耳板底座及扣蓋組成[12]，連接耳板的兩端的功能分別是部署和穩(wěn)定。為了固定嵌入槽中的連接耳板，可采用限位螺栓的方式完成固定，但固定的前提是必須調(diào)節(jié)好連接耳板組件的位置[13]。

2.3 節(jié)點(diǎn)連接可靠度設(shè)計(jì)

基于可靠度的有關(guān)原理，可明確復(fù)雜建筑空間結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)的安全系數(shù)，且該安全系數(shù)需符合目標(biāo)可靠度[14，15]。目標(biāo)可靠度的指標(biāo)可借鑒鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，用β=2.9描述連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的目標(biāo)可靠度。

復(fù)雜建筑空間結(jié)構(gòu)極限承載力實(shí)際值Nbut公式為

Nbut=ΩbωAcfy

(1)

式(1)中：計(jì)算模式不確定系數(shù)與及應(yīng)變強(qiáng)化影響系數(shù)實(shí)際值分別用Ωb與ω描述；結(jié)構(gòu)核心截面面積實(shí)際值與鋼材的屈服強(qiáng)度用Ac與fy描述。

利用復(fù)雜建筑空間結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接抗力與極限承載力剖析可靠度指標(biāo)，二者的分項(xiàng)系數(shù)為

(2)

其中

其中：參考設(shè)計(jì)值，連接抗力的分項(xiàng)系數(shù)用γR描述；極限承載力的分項(xiàng)系數(shù)用γS描述；參考均值，連接抗力的分項(xiàng)系數(shù)用γ0R描述；極限承載力的分項(xiàng)系數(shù)用γ0S描述；連接抗力的均值和設(shè)計(jì)值的比用KR描述；極限承載力的均值和設(shè)計(jì)的比用KS描述；節(jié)點(diǎn)連接抗力的變異系數(shù)用VR描述；極限承載力的變異系數(shù)用VS描述。

對應(yīng)的設(shè)計(jì)公式為

γRRd≥γSNbu

(3)

式(3)中：節(jié)點(diǎn)連接抗力的設(shè)計(jì)值用Rd描述；復(fù)雜建筑空間結(jié)構(gòu)極限承載力的設(shè)計(jì)值用Nbu描述。

將式(3)變成單一安全系數(shù)設(shè)計(jì)公式，則公式為

Rd≥(γS/γR)Nbu=KNbu

(4)

式(4)中：用K描述單一安全系數(shù)。

2.4 荷載類變量的概率模型

荷載類變量的概率模型公式為：

(5)

標(biāo)記為N(1.06Gk，0.074Gk)，式(5)中，恒載標(biāo)準(zhǔn)值用Gk描述，其均值標(biāo)準(zhǔn)差為

(6)

3 實(shí)驗(yàn)分析

以A市某復(fù)雜建筑的屋頂為研究區(qū)域，采用本文方法對該空間結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，該屋頂采用雙層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，具有135.487m與17156m2的覆蓋直徑與表面積。全部桿件均使用圓鋼管截面，最小鋼管直徑是110mm，最大鋼管直徑是198mm，節(jié)點(diǎn)直徑最小是288mm，最大直徑是574mm。在人字型鋼柱柱頂上，利用邊桁架進(jìn)行支撐球面網(wǎng)殼，由腹桿連接環(huán)梁，連成的四根環(huán)梁可組成邊桁架。邊桁架依舊是圓鋼管截面，鋼管直徑是458-1115mm。該結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)包括鑄鋼節(jié)點(diǎn)和大直徑相貫節(jié)點(diǎn)兩種。

3.1 節(jié)點(diǎn)連接可靠度分析

統(tǒng)計(jì)該復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)選取不同圓鋼管桿件及連接節(jié)點(diǎn)材質(zhì)時(shí)螺栓和焊縫的安全系數(shù)情況，結(jié)果如表1所示。

表1 安全系數(shù)K取值

通過表1可得，圓鋼管桿件材質(zhì)為Q420、Q460、BLY100時(shí)，結(jié)構(gòu)的螺栓、角焊縫和對接焊縫的K值較高，且節(jié)點(diǎn)材質(zhì)為Q235和Q345，對K取值影響較小，結(jié)構(gòu)的可靠度較高；圓鋼管桿件材質(zhì)為BLY160，節(jié)點(diǎn)材質(zhì)為Q235時(shí)，螺栓連接K值較低，正、側(cè)面角焊縫和對接焊縫的K值相對略低，可靠性相對較差，表明此種鋼材的變異性較差，導(dǎo)致復(fù)雜建筑空間結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接可靠度降低。

通過軸壓下的節(jié)點(diǎn)平均荷載-位移曲線，衡量本文連接鑄鋼和大直徑相貫兩種關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的可靠性。結(jié)果如圖1所示。

圖1 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)平均荷載-位移曲線

從圖1中可看出，兩種關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的荷載-位移曲線較為相似，大約在位移0mm-12mm范圍內(nèi)，兩種關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的荷載值均呈大幅度增長趨勢，之后逐漸平穩(wěn)，未產(chǎn)生明顯的屈服點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)表明，兩種關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的荷載-位移曲線性質(zhì)基本相同。

3.2 初始缺陷大小對不同厚度網(wǎng)架可靠度的影響

研究不同網(wǎng)架厚度以及初始缺陷大小對網(wǎng)架可靠度指標(biāo)的影響，衡量空間結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的可靠性。分析不同初始缺陷下，0.3m-3.5m九種不同的網(wǎng)架厚度的網(wǎng)架的可靠度指標(biāo)的變化曲線，結(jié)果如圖2所示。

圖2 初始缺陷對網(wǎng)架可靠度指標(biāo)的影響

由圖2可得，該九種厚度網(wǎng)架的可靠度指標(biāo)均隨著初始缺陷的增加而逐步呈現(xiàn)下降趨勢；特別是初始缺陷在1/240-1/160區(qū)間內(nèi)，可靠度指標(biāo)下降速度最快；當(dāng)網(wǎng)架厚度T=3.5m、3.1m、2.7m時(shí)，隨著初始缺陷的增加，可靠度指標(biāo)雖逐漸變小但變化趨勢并不明顯；當(dāng)網(wǎng)架厚度T=1.1m、0.7m、0.3m時(shí)，隨著初始缺陷的增加，可靠度指標(biāo)明顯降低，實(shí)驗(yàn)表明，網(wǎng)架厚度越小，對初始缺陷的敏感度越高。

3.3 隨機(jī)變量相關(guān)系數(shù)對不同厚度網(wǎng)架可靠性的影響

圖3及圖4為0.3m-3.5m九種不同網(wǎng)架厚度的網(wǎng)架的可靠度指標(biāo)隨荷載以及彈性模量相關(guān)系數(shù)的變化曲線，本節(jié)研究基于不同網(wǎng)架厚度，荷載與彈性模量相關(guān)系數(shù)對網(wǎng)架可靠度指標(biāo)的影響規(guī)律。

圖3 荷載相關(guān)系數(shù)對可靠度的影響

圖4 彈性模量相關(guān)系數(shù)對可靠度的影響

從圖3及圖4中可看出，隨著荷載及彈性模量相關(guān)系數(shù)的增大，網(wǎng)架可靠度呈現(xiàn)下降趨勢，當(dāng)相關(guān)系數(shù)在0-0.3區(qū)間時(shí)，可靠度指標(biāo)下降速度最快；當(dāng)相關(guān)系數(shù)在0.3-0.75區(qū)間時(shí)，可靠度指標(biāo)下降速度逐漸減緩。當(dāng)網(wǎng)架厚度為T=3.5m、3.1m、2.7m時(shí)，隨著相關(guān)系數(shù)的增加，可靠度指標(biāo)下降速度比較明顯；實(shí)驗(yàn)表明，可靠度指標(biāo)隨著荷載、彈性模量相關(guān)系數(shù)的增加而減少，且網(wǎng)架厚度越大，可靠度指標(biāo)下降速度越快。

3.4 大直徑相貫節(jié)點(diǎn)可靠度分析

為研究該復(fù)雜建筑空間結(jié)構(gòu)大直徑相貫節(jié)點(diǎn)的失效應(yīng)力值是否在安全概率的彈性范圍內(nèi)，現(xiàn)設(shè)置結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)屈服強(qiáng)度為340MPa，表3為大直徑相貫節(jié)點(diǎn)可靠性分析數(shù)據(jù)結(jié)果。

表2 相貫節(jié)點(diǎn)的可靠度分析結(jié)果

由表2可得，在多次循環(huán)測試下，該復(fù)雜建筑空間結(jié)構(gòu)大直徑相貫節(jié)點(diǎn)的失效應(yīng)力值滿足安全概率的彈性范疇。當(dāng)大直徑相貫節(jié)點(diǎn)的Pr值與β分別為99.9935%和3.82時(shí)，其失效應(yīng)力限值是335MPa，比結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)屈服強(qiáng)度340MPa小，表明本文方法連接后的大直徑相貫節(jié)點(diǎn)具備較高可靠性。

3.5 鑄鋼節(jié)點(diǎn)可靠度分析

為研究鑄鋼節(jié)點(diǎn)的失效應(yīng)力值是否在安全概率的彈性范圍內(nèi)，現(xiàn)設(shè)置該復(fù)雜建筑空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)屈服強(qiáng)度為190MPa，表3為大直徑相貫節(jié)點(diǎn)可靠性分析數(shù)據(jù)結(jié)果。

表3 鑄鋼節(jié)點(diǎn)的可靠度分析結(jié)果

由表3可得，在多次循環(huán)測試下，該復(fù)雜建筑空間結(jié)構(gòu)鑄鋼節(jié)點(diǎn)的失效應(yīng)力值仍然滿足安全概率的彈性范疇。若Pr值與β分別為99.9994%和4.6，則對應(yīng)的失效應(yīng)力限值是79MPa，小于雜建筑空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)屈服強(qiáng)度190MPa，表明本文方法連接后的鑄鋼節(jié)點(diǎn)的可靠性高，安全性好。

3.6 延性分析

本節(jié)實(shí)驗(yàn)分析節(jié)點(diǎn)的變形能力，該變性能力可由位移延性系數(shù)來反映出來，該延性系數(shù)等于節(jié)點(diǎn)的極限與屈服位移的比。兩種關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的荷載位移與位移延性系數(shù)結(jié)果如表4。

表4 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)荷載位移與位移延性系數(shù)

由表5可得，兩種關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)中，屈服位移值在9.8-13.5之間，極限位移值在47.1-55.8之間，通過計(jì)算可得，位移延性系數(shù)最大值與最小值分別為4.54與3.89，表明兩種關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)均具有良好的變形能力，符合結(jié)構(gòu)的延性條件，表明本文方法連接后的節(jié)點(diǎn)具備較好的延性，可靠度較高。

3.7 承載力退化分析

基于固定的加載位移幅值，由于加載次數(shù)的增加，節(jié)點(diǎn)的承載力出現(xiàn)降低的情況，這種情況即為承載力退化。節(jié)點(diǎn)經(jīng)過加載后，承載力逐步退化，退化后形成的規(guī)律可以用承載力退化系數(shù)表示，圖5為兩種關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)在不同加載方式下的承載力退化曲線。

圖5 承載力退化曲線

從圖5中可看出，隨著加載位移的增加，兩種關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的承載力退化系數(shù)保持下降趨勢，前期下降幅度較小，后其下降幅度增加，承載力退化加快，但承載力退化系數(shù)一直不低于0.75，實(shí)驗(yàn)表明，本文方法連接后的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)具有很強(qiáng)的承載力，退化速度緩慢。

4 結(jié)論

本文提出基于可靠度的復(fù)雜建筑空間結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接方法，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法連接后的復(fù)雜建筑空間結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)在軸線壓力下具備較好的荷載位移曲線，同時(shí)兩種關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)在正方向加載方式下去屈服位移和極限位移均達(dá)到較好狀態(tài)，且變形能力較強(qiáng)，具備較好的延性，且盡管隨著加載位移的增加，承載力亦始終不低于0.75，表明本文方法連接后的節(jié)點(diǎn)具備較好承載力。本文方法可確保節(jié)點(diǎn)連接的可靠度高，抗震性強(qiáng)，極大限度的降低因地震等因素造成的生命財(cái)產(chǎn)的損失。