大跨度空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點技術(shù)

PAGEPAGE10大跨度空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點技術(shù)摘要介紹了XXXXXX工程中對與復(fù)雜節(jié)點技術(shù)的研究和施工技術(shù)實踐，并對其中的關(guān)鍵技術(shù)點進(jìn)行了分析，其中包括相貫節(jié)點、外接加勁板節(jié)點等多種節(jié)點形式的比較應(yīng)用，節(jié)點焊接施工技術(shù)等。關(guān)健詞空間結(jié)構(gòu)鋼管節(jié)點相貫節(jié)點主次梁節(jié)點一、引言XXXXXX鋼拱支承結(jié)構(gòu)中主鋼拱結(jié)構(gòu)與屋面鋼結(jié)構(gòu)之間的節(jié)點，眾多桿件交匯相貫，受力很復(fù)雜，給節(jié)點設(shè)計和施工帶來難度，而節(jié)點設(shè)計的好壞直接影響到結(jié)構(gòu)傳力的可靠性，還可能會影響到結(jié)構(gòu)的整體安全。所以對于這些復(fù)雜節(jié)點的處理是至關(guān)重要的。該工程中，主鋼拱與屋面鋼構(gòu)連接、主次梁的連接等形式多樣，我們對于空間結(jié)構(gòu)中的空心鋼管連接節(jié)點以及主次鋼梁連接節(jié)點等節(jié)點技術(shù)進(jìn)行了研究。二、空間結(jié)構(gòu)空心鋼管節(jié)點技術(shù)鋼管通過節(jié)點的形式將各桿件組成結(jié)構(gòu)。目前工程中使用的鋼管結(jié)構(gòu)節(jié)點多種多樣，其主要節(jié)點形式有:空心球焊接節(jié)點、螺栓球節(jié)點、鑄鋼節(jié)點、外加勁板連接節(jié)點、內(nèi)加勁板連接節(jié)點、鋼管相貫節(jié)點、半球節(jié)點、扁球型節(jié)點、鋼板節(jié)點、再分桿的節(jié)點、法蘭節(jié)點、鋼管鼓節(jié)點、套管節(jié)點等。其中，螺栓球、焊接球節(jié)點主要用于圓鋼管之間的連接，其余節(jié)點則可以用于圓管與圓管、方管與方管、圓管與方管之間的連接。另外，加勁板式節(jié)點還可用于鋼管和其它截面形式的桿件的連接。鋼管相貫節(jié)點又被稱為簡單節(jié)點、無加勁節(jié)點或直接焊接節(jié)點。這種節(jié)點不同于焊接球節(jié)點、螺栓球節(jié)點等節(jié)點形式。它的較粗的桿件即主管在桿件相交處是連續(xù)貫通的，其余桿件即支管通過端部相貫線直接焊接在貫通的主管上。相貫節(jié)點按照支管端部在節(jié)點部位的連接情況可將節(jié)點分為間隙節(jié)點和搭接節(jié)點兩類。所謂間隙節(jié)點是指支管連接主管的端部在節(jié)點部位相互分離的節(jié)點，而搭接節(jié)點是指支管連接主管的端部在節(jié)點部位有部分重疊的節(jié)點。若按照幾何形式，相貫節(jié)點又可以分為平面節(jié)點和空間節(jié)點兩種形式。平面節(jié)點是指節(jié)點的所有桿件的軸線都處于同一平面或幾乎處于同一平面的節(jié)點。而節(jié)點的所有桿件軸線不同處于一個平面的節(jié)點為空間節(jié)點。平面節(jié)點主要包括:T型、Y型、X型、K型、YK型DK型等節(jié)點形式。而空間節(jié)點主要包括:TT型、XX型、KK型、KT型、KX型、K.KT型等節(jié)點形式。外接加勁板節(jié)點常用的方法是在弦桿上焊接加強(qiáng)板，這種方法特別適用于鋼管與其他截面形式桿件的K型間歇連接。但是從經(jīng)濟(jì)和抗疲勞的角度上講，相貫節(jié)點的搭接接頭更好。不過帶加強(qiáng)板的間隙接頭不需要對腹桿端部進(jìn)行兩次切割，制作方便也可采用。（一）相貫節(jié)點技術(shù)在XXXXXX工程中的應(yīng)用1節(jié)點形式的確定相貫節(jié)點的主要特征就是不設(shè)加勁板，這將對結(jié)構(gòu)制作帶來極大的便利。國內(nèi)某大型體育館工程的鋼桁架原設(shè)計曾考慮鋼管內(nèi)設(shè)加勁板，經(jīng)適當(dāng)調(diào)整桿件壁厚后，保證了節(jié)點在非加勁情況下的承載強(qiáng)度，大大降低了制作難度。如圖1所示，白塔機(jī)場的節(jié)點設(shè)計中，應(yīng)用了大量的相貫節(jié)點來實現(xiàn)主箱形拱和空心鋼管的連接。鑒于結(jié)構(gòu)本身的對稱形式，節(jié)點形式上我們選用了用KK型相貫節(jié)點及KKT型相貫節(jié)點等，它們很好的將鋼拱和空心鋼管連接起來。圖1KK型和KKT型節(jié)點圖2節(jié)點計算模型的確定嚴(yán)格來講，計算模型應(yīng)根據(jù)對鋼管節(jié)點的正確評估進(jìn)行確定。由于該工程中大多數(shù)KK型節(jié)點中，匯交的各桿件的軸線交于一點（如圖7-3所示），且外荷載主要是節(jié)點集中荷載，可假定桿件之間相互鉸接。由于弦桿的橫截面尺寸大于與之相連的腹桿，壁厚相對較大，這樣選擇將弦桿作為連續(xù)桿件而腹桿兩端鉸接于弦桿的計算模型比較合理。在KKT型節(jié)點中，若按腹桿直接焊接于弦桿表面，軸線交于一點布置，就會出現(xiàn)腹桿相互疊合的情況，在構(gòu)件制作時，腹桿焊接虛預(yù)先定位于弦桿，一般采用點焊方式，這樣疊合區(qū)被壓在下面的腹桿有一部分連接面不能焊接。這樣我們需要適當(dāng)?shù)睦_腹桿的間距，從而軸線的交點將偏離弦桿軸線，只要這個偏心距在－0.55－0.25倍截面高度之間，仍可將其看作鉸接桿件體系進(jìn)行計算和設(shè)計。3節(jié)點強(qiáng)度與剛度研究鋼管相貫節(jié)點的破壞形式多樣，大致分為：1）弦桿板件塑性失效弦桿為方管或矩形管時，與腹桿連接的弦桿翼緣板受到腹桿軸力的直接作用，造成板件局部彎曲。2）弦桿剪切破壞兩種基本形態(tài)是：相鄰腹桿間隙內(nèi)的弦桿剪切塑性變形；弦桿管壁被沖剪切斷。3）弦桿局部失穩(wěn)弦桿壓力很大，則無論是方管或圓管，都有可能發(fā)生局部失穩(wěn)。4）焊縫破壞腹桿與弦桿連接焊縫產(chǎn)生裂縫、斷裂，造成節(jié)點承載力下降和喪失。由白塔機(jī)場新建航站樓工程的實際情況，焊縫破壞是相貫節(jié)點最易發(fā)生的破壞形式。這樣也就對焊接施工技術(shù)提出了很高的要求。節(jié)點剛度包括軸向剛度和彎曲剛度兩個概念，考慮穩(wěn)定和振動等因素時，不可忽視對節(jié)點剛度的恰當(dāng)判斷。一般情況下，相貫節(jié)點本身作為半剛度節(jié)點更符合其實際力學(xué)性能。4節(jié)點焊縫施工技術(shù)通過對節(jié)點強(qiáng)度的研究，由于空心鋼管在實際工作狀態(tài)下均為受拉桿件，焊接質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到節(jié)點的工作性能。在焊接接頭設(shè)計時，應(yīng)注意以下情況：1）明確焊縫承載力與接頭承載力的區(qū)別，接頭承載力通常小于桿件承載力，此承載力不能通過增加焊縫提高，因為多余的焊縫不能傳遞更高的荷載，多余的焊縫不僅是浪費，設(shè)置可能會由于不必要的加熱與收縮起壞的作用，應(yīng)予以限制。2）可能情況下，盡量利用角焊縫，不用對接焊縫，除非尺寸太大使成本太高。當(dāng)不能使用角焊縫時，用部分焊透對接焊縫。3）廣泛應(yīng)用目檢，加強(qiáng)焊接前的裝配檢查。根據(jù)以上要求，在白塔機(jī)場新建航站樓工程中，對焊接施工技術(shù)提出如下要求：所有方管、圓管、矩形管的端口加工盡量采用五維或六維相貫線自動切割機(jī)切割工藝。鋼鋼管相貫線焊縫分為三個區(qū)：趾部、側(cè)面區(qū)及跟部（見圖2），按現(xiàn)有設(shè)備能力趾部可以切割出完整的剖口,側(cè)面區(qū)可以切割出過渡剖口，跟部當(dāng)支管與主管夾角小于45%%d時不能切割剖口。由于采用無間隙安裝,故趾部焊縫為熔透剖口焊縫，跟部為角焊縫，側(cè)面區(qū)由角焊縫過渡到部分剖口焊縫，跟部角焊縫在垂直于主管外壁的方向高度應(yīng)≥1.2t，（t為支管壁厚）。趾部及側(cè)面區(qū)允許有2mm左右的不熔透，但須在外側(cè)增加2～3mm的角焊縫。圖2鋼管相貫線焊縫分區(qū)圖3方管、矩形管相貫節(jié)點焊接相貫節(jié)點因為支管的數(shù)量、角度、尺寸的不同使得各支管端部的相貫線成為形態(tài)各異的三維曲線，使相貫線的加工要求有很高的切割精度和焊接技術(shù)。故我國的鋼管結(jié)構(gòu)以往很少采用直接焊接的節(jié)點。近年來隨著多維數(shù)控切割技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)數(shù)控加工技術(shù)使得相貫線的加工變得非常簡單。加工技術(shù)的進(jìn)步使得鋼管相貫節(jié)點的優(yōu)點更趨明顯。一般來說，鋼管相貫節(jié)點具有造價低，施工方便傳力路線明確，受力性能好，承載能力強(qiáng)，構(gòu)造簡單，無附加外凸的節(jié)點構(gòu)件，次要構(gòu)件連接簡便，建筑外表美觀的優(yōu)點，在實際工程中不僅節(jié)省鋼材和焊接工作量，而且更易于維護(hù)保養(yǎng)。（二）外接加勁板節(jié)點的技術(shù)研究該工程中，屋面中心拱出采用了外接加勁板節(jié)點將受拉桿件和屋面鋼構(gòu)連接。中心拱處出現(xiàn)多管匯于一點的情況，為了避免KK型接頭中腹桿相互搭接，將搭接的兩個腹桿分別焊在一個垂直加強(qiáng)板上。否則，不加加強(qiáng)板會致使不能充分的發(fā)揮接頭強(qiáng)度，且兩腹桿間很難焊接，質(zhì)量不易保證。外接加勁板構(gòu)造如圖4、圖5所示。圖4外接加勁板節(jié)點施工圖圖5外接加勁板節(jié)點如圖所示，為了避免K型接頭中，一根腹桿部分搭接在另一根腹桿上，將兩腹桿分別焊在一塊垂直加強(qiáng)板上。假設(shè)去掉加勁板，就不能充分發(fā)揮K型搭接接頭的強(qiáng)度，且兩腹桿間很難焊接，其質(zhì)量也很難保證。外接加勁板節(jié)點中對焊縫等地要求與相貫節(jié)點相同。3、主次梁連接節(jié)點技術(shù)主梁和次梁的連接通常有兩種方式：（1）將主梁作為次梁的支點，并將次梁兩端與主梁的連接作為鉸接來處理，即簡支梁形式。（2）將主梁作為次梁的支點，并將次梁兩端與主梁的連接作為剛性連接來處理，即連續(xù)梁形式。XXXXXXXX工程中，主梁和次梁的連接為鉸接處理，圖6、圖7為主梁節(jié)點圖。圖6主梁節(jié)點圖圖7主梁節(jié)點圖4、其他連接節(jié)點技術(shù)由于連接形式的多樣，在白塔機(jī)場新建航站樓工程中也對一些特殊的節(jié)點進(jìn)行了研究和分析。箱形柱和矩形管的連接中，對于沒有設(shè)置內(nèi)置隔板的節(jié)點，考慮節(jié)點的穩(wěn)定性和剪力的傳導(dǎo)特點，研究了外肋環(huán)板節(jié)點形式（圖8）。圖8外肋環(huán)板節(jié)點圖工程中簡易滑動節(jié)點的制作具有特色。此外在樓板中還采用了預(yù)應(yīng)力鋼絞線，鋼絞線錨固節(jié)點如圖9所示。圖9樓板中的預(yù)應(yīng)力鋼絞線節(jié)點5、結(jié)論總結(jié)