鑄鋼索夾節點在弦支穹頂結構設計中的應用

摘要:弦支穹頂結構是一種新型的空間結構，其是通過雜交空間結構構成的，以巧妙的技術手段和方式將建筑結構上弦網殼結構與下弦張拉整體 索桿體系有效的結合成為一個整體，并通過給下弦整體張拉結構空間形成一個環向的索、徑向來施加一個合理的預應力結構，進而控制上弦網殼的預應 力和變形應力，確保上弦網殼的抗屈強度以及整體性強度，使得其在工作中能夠真正的做到剛柔并濟的工作要求和工作模式。一般而言，弦支穹頂結構中 釆用鑄鋼索夾節點預應力對于提高整體強度有著至關重要的作用與意義。

關鍵詞:結構設計網殼結構承載力節點

目前社會發展中，國內外對于中小跨度的弦支穹頂結構都提出了系 統全面的優化與認識，并且在工作中對于工程的承載力和支撐點要求都 提出了新模式和新管理工具方式，且在工作的過程中對于其中存在施工 質量問題和技術缺陷都得到了一定的優化與處置。在目前的施工項目 中，鑄鋼節點作為一種新的階段模式，成為空間結構中的核心模式，是以 鑄鋼節點中所特有的索夾節點、支座點三個部分構成的，但是就目前的 工作中，人們對于大跨度的弦支穹頂結構結構應用較少，特別是施工技 術的研究仍然是一片空白，因此對其進行優化與總結十分必要。

一、 弦支穹頂結構概述

1、 弦支穹頂結構產生背景

建筑與人們生活與社會發展緊密相連，古人主要是釆用建筑物來抵 御各種自然災害的侵襲和外地的入侵，而今天的建筑物，則是以人類的 舒適、依據作為主要的追求重點，也是在工作中以新穎、個性的工作理念 作為主要的工作基礎。基于此，我們在生活中對于建筑結構的空間追求 提出了新要求，并促進了相關的工作人員在工作與研究中對于各種新穎 別致、復雜健全空間的研究，也為大跨度建筑空間和結構的產生帶來了 必然的基礎依據。

近年來，建筑行業隨著社會生產技術的提高而呈現出蓬勃之勢，其 發展前景和發展動力也得到了良好有效的完善。但是在這種社會基礎 上，人們對于公共活動空間的需求量也提出了明確的規范和標準，以體 育館、展覽廳、歌劇院和工業廠房為基礎的大型建筑結構空間要求越來 越多，這位人們生活提供一個良好發展基礎的同時，也給建筑施工跨度 的增加和剛度的上升提供了相關的理論依據，這也要求我們在建設施工 中對于各種屋頂結構理論的研究與總結。

2、 弦支穹頂結構概述

為了解決上述的種種建筑結構問題，在目前的社會發展中人們充分 的認識了以穹頂結構為基礎的建筑施工技術的優越性，也為其發展與完 善提供了必然的基礎依據。在目前的弦支穹頂結構設計中，其主要是將 索穹頂中含有的一些概念以及單層網殼要求系統的融為一體，從而形成 了一種合理、科學有不失新意的建筑結構模式。弦支穹頂結構的應用對 于發揮建筑結構頂層優勢有著十分有效的作用，同時對于實現更加有效 和經濟的大跨度新型建筑結構體系的完善提供了前所未有的工作基礎。

二、 實際工程應用

1. 工程概述

某工程在施工中是釆用混凝土結構為主要的施工方式和措施，在目 前的施工之中其結構要求逐步完善，在施工中控制手段和要求都是通過 目前***先進的科學技術方法進行管理。在施工中通過上部的屋蓋處理方 式，下部是通過鋼筋混凝土結構方式進行完整施工。上部結構是目前建 筑工程施工的重要手段和方式。在工程施工和結構設計中，屋蓋釆用新 型弦支穹頂結構是目前主要的鋼結構方式，通過在目前的控制中結構方 式的管理措施和模式。由上部的刖性空間網殼結構在處理的施工中其完 整的處理模式中能夠形成雜交結構體系，是通過在屋蓋中釆用雙層的網 殼結構進行控制，其在外形的處理之中一般都是通過橢圓形屋面，在應 用中水平投影也是橢圓形狀和模式的。在控制的應用之中，其在處理中 長軸方向總長165m,短軸方向總長145m,在投影的時候面積控制約為 18800m2_o在目前的網殼處理之中，形成的管理模式，使得在網格點的控 制中能夠結合鋼結構材料分析，由于鑄鋼材料在應用的時候具有較好的 剛度和完整性，因此在計算中材料控制要求較多，使得其能夠形成一套 統一的體系。

2、 計算模型

根據鑄鋼索夾節點實際尺寸，建立節點空間三維模型作為計算模 型。在建模過程中，雖然環向索索力較大，但索力方向跟鑄鋼索夾節點夾 角較小，因此不予考慮；另外鑄鋼節點下半部分對節點受力影響較小，因 此建模時也不予考慮；鑄鋼節點各邊、各相交部位的倒角圓角及耳板問 加勁板建模時忽略。這樣簡化既可保證計算精度又可減小計算工作量。 鑄鋼索夾節點計算模型，與所分析鑄鋼索夾節點相連的桿件截面、長度、 鋼號及荷載情況。節點在目前的應用中通過擦用10個節點作為主要的實 體單元控制手段，并且針對當前3個自由度進行管理，能夠實現其完整的 體系要求和措施。在當前的建筑工程管理和施工設計中，對各種節點在 控制中要釆用自由網絡劃分，按照實際要求來分配節點尺寸，確保在設 計中實體單元能夠及時的滿足目前的社會發展要求。根據***不利荷載作 用狀態下受力情況撐桿內力和拉索拉力，將荷載分解為、Y、三個分力直 接施加到模型節點上。在鑄鋼節點承受撐桿壓力處，通過有限元節點施 加豎直向下的荷載;拉索荷載施加在耳板銷拴孔受力方向半柱面內的各 節點上。

(1) 在***不利荷載下按彈性計算分析結果顯示，節點絕大部分區域應 力遠小于材料的屈服強度，處在彈性階段。節點***大應力為582.1Mpa,位 于拉索耳板與鑄鋼節點主體交匯處，且應力分布非常不均勻。屈服區域 僅出現在少數部位，因此即使出現超過屈服點的極限狀態，也可以期待 鋼材的塑性使屈服應力趨于平緩，避免強度的破壞.

(2) 考慮材料非線性的影響，在***不利荷載下進行彈塑性分析，結果 顯示，節點的應力峰值約為355.1MPa,表明在節點局部進入塑性后，應力 進行了重分布，應力趨于平緩,上述結論得到驗證。

(3) 在實際采用的鑄鋼索夾節點在澆鑄過程中，拉索耳板與鑄鋼節點 主體交匯處做成倒角，連接部位較平緩,不會產生過大的應力集中。

3、 計算結果分析

綜上彈性和彈塑性計算分析，鑄鋼索夾節點在***不利荷載條件下僅 有極少數單元應力超過材料屈服強度，一方面是屬于局部應力集中，另 一方面是由荷載施加方式(直接施加到節點上)造成的。節點局部進入塑 性后，應力將會進行重分布，另外在鑄造過程中會釆取相應措施減緩應 力集中，因此鑄鋼節點部分具有足夠的安全儲備。

三、結語

建筑工程節點設計中，新型鋼索夾節點的應用在目前工程項目中是 ***具有獨特風格的。在竣工之后，全部預應力張拉,成形后拉索索力和結 構變形測試結果與理論分析較為吻合。弦支穹頂作為一種新型的空間結 構體系，在我國的應用正在鋪開，擬釆用弦支穹頂結構的有眾多的大跨 度建筑結構和體育館。鑄鋼索夾節點首次在大跨弦支穹頂結構體系中得 到了創新應用，并取得了成功，為類似新型空間結構的研究與應用提供 了有益的參考。