铸钢索夹节点在弦支穹顶结构设计中的应用
摘要:弦支穹顶结构是一种新型的空间结构，其是通过杂交空间结构构成的，以巧妙的技术手段和方式将建筑结构上弦网壳结构与下弦张拉整体 索杆体系有效的结合成为一个整体，并通过给下弦整体张拉结构空间形成一个环向的索、径向来施加一个合理的预应力结构，进而控制上弦网壳的预应 力和变形应力，确保上弦网壳的抗屈强度以及整体性强度，使得其在工作中能够真正的做到刚柔并济的工作要求和工作模式。一般而言，弦支穹顶结构中 釆用铸钢索夹节点预应力对于提高整体强度有着至关重要的作用与意义。
关键词:结构设计网壳结构承载力节点
目前社会发展中，国内外对于中小跨度的弦支穹顶结构都提出了系 统全面的优化与认识，并且在工作中对于工程的承载力和支撑点要求都 提出了新模式和新管理工具方式，且在工作的过程中对于其中存在施工 质量问题和技术缺陷都得到了一定的优化与处置。在目前的施工项目 中，铸钢节点作为一种新的阶段模式，成为空间结构中的核心模式，是以 铸钢节点中所特有的索夹节点、支座点三个部分构成的，但是就目前的 工作中，人们对于大跨度的弦支穹顶结构结构应用较少，特别是施工技 术的研究仍然是一片空白，因此对其进行优化与总结十分必要。
一、 弦支穹顶结构概述
1、 弦支穹顶结构产生背景
建筑与人们生活与社会发展紧密相连，古人主要是釆用建筑物来抵 御各种自然灾害的侵袭和外地的入侵，而今天的建筑物，则是以人类的 舒适、依据作为主要的追求重点，也是在工作中以新颖、个性的工作理念 作为主要的工作基础。基于此，我们在生活中对于建筑结构的空间追求 提出了新要求，并促进了相关的工作人员在工作与研究中对于各种新颖 别致、复杂健全空间的研究，也为大跨度建筑空间和结构的产生带来了 必然的基础依据。
近年来，建筑行业随着社会生产技术的提高而呈现出蓬勃之势，其 发展前景和发展动力也得到了良好有效的完善。但是在这种社会基础 上，人们对于公共活动空间的需求量也提出了明确的规范和标准，以体 育馆、展览厅、歌剧院和工业厂房为基础的大型建筑结构空间要求越来 越多，这位人们生活提供一个良好发展基础的同时，也给建筑施工跨度 的增加和刚度的上升提供了相关的理论依据，这也要求我们在建设施工 中对于各种屋顶结构理论的研究与总结。
2、 弦支穹顶结构概述
为了解决上述的种种建筑结构问题，在目前的社会发展中人们充分 的认识了以穹顶结构为基础的建筑施工技术的优越性，也为其发展与完 善提供了必然的基础依据。在目前的弦支穹顶结构设计中，其主要是将 索穹顶中含有的一些概念以及单层网壳要求系统的融为一体，从而形成 了一种合理、科学有不失新意的建筑结构模式。弦支穹顶结构的应用对 于发挥建筑结构顶层优势有着十分有效的作用，同时对于实现更加有效 和经济的大跨度新型建筑结构体系的完善提供了前所未有的工作基础。
二、 实际工程应用
1. 工程概述
某工程在施工中是釆用混凝土结构为主要的施工方式和措施，在目 前的施工之中其结构要求逐步完善，在施工中控制手段和要求都是通过 目前最先进的科学技术方法进行管理。在施工中通过上部的屋盖处理方 式，下部是通过钢筋混凝土结构方式进行完整施工。上部结构是目前建 筑工程施工的重要手段和方式。在工程施工和结构设计中，屋盖釆用新 型弦支穹顶结构是目前主要的钢结构方式，通过在目前的控制中结构方 式的管理措施和模式。由上部的刖性空间网壳结构在处理的施工中其完 整的处理模式中能够形成杂交结构体系，是通过在屋盖中釆用双层的网 壳结构进行控制，其在外形的处理之中一般都是通过椭圆形屋面，在应 用中水平投影也是椭圆形状和模式的。在控制的应用之中，其在处理中 长轴方向总长165m,短轴方向总长145m,在投影的时候面积控制约为 18800m2o在目前的网壳处理之中，形成的管理模式，使得在网格点的控 制中能够结合钢结构材料分析，由于铸钢材料在应用的时候具有较好的 刚度和完整性，因此在计算中材料控制要求较多，使得其能够形成一套 统一的体系。
2、 计算模型
根据铸钢索夹节点实际尺寸，建立节点空间三维模型作为计算模 型。在建模过程中，虽然环向索索力较大，但索力方向跟铸钢索夹节点夹 角较小，因此不予考虑；另外铸钢节点下半部分对节点受力影响较小，因 此建模时也不予考虑；铸钢节点各边、各相交部位的倒角圆角及耳板问 加劲板建模时忽略。这样简化既可保证计算精度又可减小计算工作量。 铸钢索夹节点计算模型，与所分析铸钢索夹节点相连的杆件截面、长度、 钢号及荷载情况。节点在目前的应用中通过擦用10个节点作为主要的实 体单元控制手段，并且针对当前3个自由度进行管理，能够实现其完整的 体系要求和措施。在当前的建筑工程管理和施工设计中，对各种节点在 控制中要釆用自由网络划分，按照实际要求来分配节点尺寸，确保在设 计中实体单元能够及时的满足目前的社会发展要求。根据最不利荷载作 用状态下受力情况撑杆内力和拉索拉力，将荷载分解为、Y、三个分力直 接施加到模型节点上。在铸钢节点承受撑杆压力处，通过有限元节点施 加竖直向下的荷载;拉索荷载施加在耳板销拴孔受力方向半柱面内的各 节点上。
(1) 在最不利荷载下按弹性计算分析结果显示，节点绝大部分区域应 力远小于材料的屈服强度，处在弹性阶段。节点最大应力为582.1Mpa,位 于拉索耳板与铸钢节点主体交汇处，且应力分布非常不均匀。屈服区域 仅出现在少数部位，因此即使出现超过屈服点的极限状态，也可以期待 钢材的塑性使屈服应力趋于平缓，避免强度的破坏.
(2) 考虑材料非线性的影响，在最不利荷载下进行弹塑性分析，结果 显示，节点的应力峰值约为355.1MPa,表明在节点局部进入塑性后，应力 进行了重分布，应力趋于平缓,上述结论得到验证。
(3) 在实际采用的铸钢索夹节点在浇铸过程中，拉索耳板与铸钢节点 主体交汇处做成倒角，连接部位较平缓,不会产生过大的应力集中。
3、 计算结果分析
综上弹性和弹塑性计算分析，铸钢索夹节点在最不利荷载条件下仅 有极少数单元应力超过材料屈服强度，一方面是属于局部应力集中，另 一方面是由荷载施加方式(直接施加到节点上)造成的。节点局部进入塑 性后，应力将会进行重分布，另外在铸造过程中会釆取相应措施减缓应 力集中，因此铸钢节点部分具有足够的安全储备。
三、结语
建筑工程节点设计中，新型钢索夹节点的应用在目前工程项目中是 最具有独特风格的。在竣工之后，全部预应力张拉,成形后拉索索力和结 构变形测试结果与理论分析较为吻合。弦支穹顶作为一种新型的空间结 构体系，在我国的应用正在铺开，拟釆用弦支穹顶结构的有众多的大跨 度建筑结构和体育馆。铸钢索夹节点首次在大跨弦支穹顶结构体系中得 到了创新应用，并取得了成功，为类似新型空间结构的研究与应用提供 了有益的参考。 |
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