鋼結構技術論文
中國建筑金屬結構協會
建筑鋼結構分會主辦
摘 要：廣博節點不僅受力復雜，而且加工制作影響因素多，現場施工需要考慮交叉工藝。本文通過分析廣博節點特點，提出了復雜節點概念及總體設計原則；結合梁柱節點、吊桿節點、桁架節點相關性設計，介紹了復雜節點相關性設計內容和思路，供類似工程節點設計參考。
關鍵詞：復雜節點；相關性設計；構造優化；制作工藝；施工工藝
1 工程概況
廣東省博物館新館項目鋼結構分為四大部分：核心筒鋼管柱及樓層圈梁，5～6層懸臂桁架體系，吊桿及樓層結構，外圍護立面墻體系。其節點類型主要有：鋼管混凝土柱與框架梁的連接節點、吊桿與樓層梁的連接節點、主桁架節點及預應力相關節點等重要節點（圖1）。
圖1 結構整體及剖面（復雜節點構造優化與制作）
梁柱節點：布置于核芯筒體混凝土剪力墻內的鋼管柱（直徑650mm直縫鋼管）與樓層結構對應標高的框架圈梁及樓層梁（截面有II1300×800、H1000×400、H700×300、口1000×650等）連接形成梁柱節點（圖2）。
吊桿節點：在5～6層懸臂桁架內外設置吊桿，懸掛3～4層樓面體系。外圍主要設置DG1（口650×650）吊桿，內有四束121φp7預應力拉索；內圍主要設置DG2（φ299）鋼管吊桿，內有一束121φp7預應力拉索。吊桿與樓層梁（口1000×650、H700×300）連接形成吊桿節點（圖3）。
圖2 梁柱節點 圖3 吊桿節點
桁架節點：5～6層懸臂桁架體系是本工程的主
要受力系統。桁架共8榀，采用雙向交叉平面桁架，桁架高度8m，上下弦采用1.5m×1m箱型截面，腹桿與弦桿等寬為1m，高度從0.8～1.5m不等。桁架上弦內設預應力索，下弦、腹桿及節點內灌注混凝土。桁架節點主要分為：下弦雙向交叉的雙K節點，桁架平面內單K節點兩類。其中與預應力相關的主要節點有：端部預應力索錨固節點，預應力索轉向節點等（圖4）。
圖4桁架節點（復雜節點構造優化與制作）
2 復雜節點相關性設計原則
復雜節點是指節點受力復雜、內部構造復雜、加工制作工藝復雜、安裝施工工藝難的節點。節點設計不僅要保證節點在各種受力工況下的安全性，還要滿足加工制作工藝和安裝施工工藝的可實施性。
2.1復雜節點的特點
廣博項目中，復雜節點的特點是：
1）節點受力復雜。本工程結構體系具有三大特點：懸掛結構、組合結構、預應力結構，在三種受力體系的共同作用下其節點受力異常復雜，需要針對不用的受力特點分別設計。
2）節點構造設計交叉工藝影響多。桁架內、吊桿內設置了預應力拉索，梁柱節點、桁架下弦、腹桿及節點內需要灌注混凝土，這些施工工藝都影響著節點的構造設計。
3）制約因素多。有些節點翼板需要整體下料，復雜的節點構造限定了結構的分段，大量節點需要在工廠制作成為整體，不僅使深化設計、構件加工難度大，同時給構件的運輸和鋼結構安裝帶來困難。
4）節點超大、超重、超厚。本工程最大節點尺寸為4800mm×4800mm×3100mm，重達43.5t，最厚板件為80mm。
2.2復雜節點相關性設計原則
針對本工程節點特點，結合制作工藝、施工安裝方法及節點受力性能對本工程的復雜節點構造進行優化設計。充分發揮構件材料的強度，確保節點不先于構件破壞，構造簡單、傳力直接，保證其在各種荷載作用下的安全性，同時滿足各交叉工藝的施工要求，且加工制作相對簡單。
3 復雜節點相關性設計
3.1梁柱節點相關性設計
梁柱節點為了保證鋼管柱內灌注混凝土的連續性，取消內環加勁板；部分箱形鋼梁截面寬度大于鋼管柱，不能直接相貫；剪力墻區域內梁柱節點箱形截面鋼梁內需要灌注混凝土。根據以上節點特點進行相關性設計如下：
1）鋼管柱內取消內環加勁板，在節點牛腿上下翼緣設置環向布置的補強加勁板，增強鋼管柱的局部強度。截面尺寸大的箱形截面牛腿翼緣板整板下料，開孔鋼柱貫通，也增加了節點域的剛度(圖5)。
圖5 梁柱節點構造示意（復雜節點構造優化與制作）
2）對于箱形截面鋼梁寬度大于鋼管柱截面，與鋼管柱相貫腹板不能直接傳遞剪力，通過設置兩道豎向加勁板或通過另外一個方向鋼梁的腹板將剪力傳遞到鋼管柱上。這樣傳力路線明確且工廠加工制作簡單易行。
3）核心筒內鋼管柱及節點區箱形梁內需灌注混凝土，為了降低混凝土灌注難度，在箱型牛腿腹板處上部開設灌注孔，在內部加勁板上開設混凝土流通孔，為了保證混凝土灌注的密實性在鋼柱附近上翼緣板開設透氣孔。
3.2吊桿節點相關性設計
原吊桿節點設計為“只傳剪力，不傳彎矩”的鉸接節點，吊桿尺寸為600mm×600mm，穿過樓層梁上下翼緣板（與翼緣板不連接）。剪力從樓層梁腹板通過兩道豎向加勁板傳遞到吊桿上，吊桿內部節點域設置十字加強板；彎矩通過翼緣板繞過吊桿傳遞，實現了連續梁的作用。內部加勁板形成了一個個密閉箱體，存在焊接死角，即使優化節點組裝順序也不能滿足要求，工廠加工制作難度極大（圖6）。
圖6 吊桿節點原設計方案（復雜節點構造優化與制作）
吊桿節點相關性設計具體如下：
1）節點經優化后改為剛接節點，吊桿截面改為650mm×650mm，剪力直接通過腹板傳遞到吊桿（圖7），取消間接傳遞剪力的加勁板。
梁腹板與吊桿翼緣連接焊縫和吊桿本身翼腹焊縫重疊，為了避免焊縫重疊，將吊桿在腹板高度范圍內向外延伸50mm與腹板對接（圖8）。
（2）箱型梁上下翼緣整板下料，開孔保證吊桿貫通，同時上下翼緣在開孔范圍向外延伸300mm彌補開孔對其截面的削弱。
圖7翼緣板整板下料
圖8吊桿節點構造示意（復雜節點構造優化與制作）
3）吊桿內十字加勁板應根據受力情況采用不同的焊縫形式，在三個受力端采用全熔透一級焊縫，非受力端采用雙面角焊縫，保證了十字加勁板與吊桿焊接的可操作性（圖8）。
3.3桁架節點相關性設計
桁架節點構造設計不僅要保證承載力的要求，還要結合工廠加工制作工藝、預應力施工工藝、混凝土灌注工藝等因素綜合考慮。
3.3.1單K、雙K節點相關性設計
單K節點相關性設計原則：1）在節點域將弦桿端部局部加厚，以保證其在各種荷載作用下的安全性；2）在相鄰腹桿之間設置豎向連接板，保證腹桿受力的有效傳遞，避免局部應力的產生；3）調整腹桿端部板件的角度，以改善傳力，保證焊接操作條件；4）在桁架弦桿區內設置橫、縱向構造加勁板，提高節點承載能力和局部剛度；5）對于大拘束度厚板焊接避免焊接層狀撕裂現象產生。
單K節點構造優化：
1）在相鄰腹桿之間設置腹桿連接板解決不同截面的腹桿連接，腹板連接板的高度要滿足焊接最小操作空間的要求，取最小高度為300mm。連接板厚度取兩腹桿中板件最大厚度的1.5倍(圖9)。
圖9單K節點構造圖（復雜節點構造優化與制作）
2）調整腹桿端部下翼緣板件的角度，使其與弦桿翼板的角度θ≥60°，保證了焊接的操作空間，改善了傳力路徑，同時增大了節點域剛度。
3）在弦桿區域設置水平受力加勁板，同時又在水平受力加勁板之間增設了一道構造加勁板和縱向構造加勁板，增大節點域剛度。水平受力加勁板厚度與對應的腹桿翼緣板厚相同，構造加勁板厚度根據規范要求取20mm。
4）節點弦桿上翼板厚度一般為35mm～80mm，其焊接拘束度較大，焊接過程容易產生層狀撕裂現象。因此，首先對于承受面外作用力的厚板（≥40mm）要求Z15性能，另外采用合理的焊接剖口形式（圖10）。
圖10 焊接剖口優化
5）桁架節點與腹桿連接，為了對接處的吻合，在節點制作加工中增加端口回字構造加勁板，以保證端口的矩形度。在腹桿之間、與弦桿的交角增加散力板，消耗一部分由腹桿傳遞到節點域的內力，增強了點的承載能力。
3.3.2 雙K節點相關性設計
雙K節點構造設計的原則：1）沿用單K節點的1）、3）、4）、5）四個原則；2）在四個腹桿中心設置“受力筒”，同時四個方向腹桿上翼緣板在同一標高上，保證傳力順利、均勻，避免局部應力過大；3）兩個方向相交應該避免焊縫重疊；4）在焊接無法達到的條件下，保證主要焊縫，放棄次要焊縫；5）滿足運輸要求。
雙K節點構造優化：
1）節點一般構造設計參見單K節點。
2）雙K節點腹桿四個方向匯交在一起，為了避免腹桿上翼板相交高度不同引起的局部應力，需要將上翼板調整在同一高度上，共同通過一個“受力筒”傳遞內力。在“受力筒”內設置傳力加勁板和加強加勁板（圖11）。
圖11 雙K節點構造圖（復雜節點構造優化與制作）
3）為了避免相交處焊縫重疊，以一個方向的腹桿、弦桿貫通，另一個方向通過內部加勁板連接的方式設計，同時腹桿以腹板為主，翼板與之相焊。
圖12 雙K節點相貫示意（復雜節點構造優化與制作）
貫通的腹桿腹板存在不同板厚的對接，對接焊縫錯開另外方向腹桿腹板與之相貫的焊縫，在中間對接（圖12）。貫通弦桿與斷開弦桿連接，將貫通弦桿的翼緣板伸出50mm與另外翼緣板對接（圖12）。
4）節點下弦與鋼管柱連接，下弦翼板受到很大的局部壓力，在下弦相交范圍內設置了十字加勁板加強。通過優化節點組裝順序，首先保證十字加勁板與弦桿下翼板的焊縫；其次十字加勁板與弦桿腹板采用雙面角焊縫，保證局部應力通過剪力形式傳遞到節點；最后放棄十字加勁板與弦桿上翼板的焊接。
5）對于桁架下弦雙向交叉的雙K節點，為了保證節點的整體性，其節點尺寸為4800mm×4800mm×3100mm，重量為43.5t，超過的運輸范圍。工廠制作按整體節點放樣、下料，點焊預拼裝，然后分開運輸至現場進行拼焊。
3.3.3 預應力相關節點相關性設計
預應力相關節點是在桁架單K節點的基礎上，需要考慮預應力工藝的節點，所有節點構造設計除了要滿足單K節點的要求，還要滿足預應力工藝的施工、受力要求。
預應力相關節點構造優化：
1）考慮預應力施工工藝，在桁架節點處設置拉索導管，保證了鋼絞線穿入不受節點內加勁板的影響；在轉向處設置導向管，保證了鋼絞線能夠平緩、自然過渡；在上弦離節點兩端開設導索工藝孔，保證了鋼絞線穿入的連續性。
2）拉索張拉后，在轉向處產生很大的徑向作用力，在錨固端產生很大的局部壓力，均需要進行局部加強。轉向處在拉索底部設置縱向支撐板，每隔300～500mm設置徑向加勁板。錨固端部在兩束預應力拉索之間設置豎向承壓板，與腹板共同承擔壓力，同時設置水平加勁板保證受壓板的局部穩定（圖13）。
圖13 預應力拉索節點構造（復雜節點構造優化與制作）
3）預應力吊桿錨固在桁架下弦端部節點上，下部樓層吊重均需通過此節點傳遞到桁架上。為了減少節點受力的復雜性，降低加工制作的難度，將吊桿拉索錨固在節點腹桿上，并通過剪力傳遞樓層吊重（圖14）。
4）主桁架節點上設置兩道平行拉板與樓層吊桿節點連接，形成了特殊的拉板節點，拉板將部分樓層重量傳遞到節點上，為了避免弦桿的下翼板產生層狀撕裂，將弦桿腹板貫通向下延伸80mm與拉板對接，同時設置拉板節點域加強板，在節點內部對應位置設置加強板（圖14）。
圖14 預應力錨固及拉板節點構造
3.3.4 混凝土灌注工藝相關性設計
桁架內所有節點需要灌注混凝土，在桁架單K、雙K節點構造設計的基礎上，考慮混凝土灌注工藝，保證混凝土灌注的完整性、可達性、密實性。
1）在桁架節點腹桿對應的兩個密閉空腔內分別設置混凝土灌注孔，上弦節點的上翼板設置兩個ф140灌注孔；下弦節點的上翼板設置兩個方形（200mm×200mm）灌注孔。
2）桁架上弦、腹桿、下弦相互不貫通，且內部設置了大量的水平加勁板，形成了一個個相互獨立的密閉空間，為了保證桁架內混凝土全部灌注到位，在內部加勁板上設置了混凝土流淌孔。
3.3.5 預應力相關節點有限元計算分析
預應力拉索轉向處、錨固端受力復雜，為了準確把握節點的受力特點和影響因素，利用大型有限元軟件Ansys進行分析，結果表明節點進行局部加強處理后其受力性能得到了提高（圖15--圖17）。
1）節點有限元分析結果。
圖15 拉索轉向節點Mises應力MPa
圖16 拉索錨固節點（一）Mises應力MPa
圖17 拉索錨固節點（二）Mises應力MPa
2）結果分析：從節點等效應力云圖可以看出，最大等效應力出現在勁板交錯、小夾角的位置，節點區最大等效應力為329.058MPa。節點區翼緣板和腹板的等效應力都遠小于鋼材屈服強度，可見節點承載力完全滿足要求。
4 復雜節點相關性設計推廣
1）提出復雜節點定義及相關性設計內容。
2）結合廣博復雜節點的相關性設計，提出復雜節點相關性設計總體原則：充分發揮構件材料的強度，確保節點不先于構件破壞，構造簡單、傳力直接，保證在各種作用下的安全性，同時滿足各交叉工藝的要求，且加工制作相對簡單。
3）復雜節點域可以通過局部增加板厚，設置加勁板等措施提高承載力，也可以通過細部構造實現受力性能的要求（如釋放翼緣、焊接腹板實現只傳剪不受彎的受力要求；設置轉向支撐板承擔預應力拉索轉向引起的徑向壓力等）。
4）復雜節點設計要實現焊接的可達性，保證工廠加工制作的可實施性：箱形截面受力加勁板采用電渣焊保證四邊焊縫，構造加勁板在滿足構造要求的前提下采用三邊焊避免焊接死角；多向相交節點應從構造上避免焊縫重疊現象；厚板焊接采用合理的焊接剖口形式避免層狀撕裂；結合節點組裝順序設置加勁板。
參考文獻：
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