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摘  要：廣東塑料交易所總部大樓建筑外形呈立放的巨型玉璧，采用斜撐框架+核心筒+轉(zhuǎn)換桁架受力體系；斜撐框架為箱型截面，復(fù)雜節(jié)點(diǎn)多桿件匯交而成，由于板件正斜、交錯(cuò)的密集布置，存在工廠焊接不可達(dá)，現(xiàn)場施工灌漿難密實(shí)等不利因素；本文在對(duì)斜撐框架復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的工藝性分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了焊接結(jié)構(gòu)優(yōu)化以滿足工藝性的要求，形成一定的經(jīng)濟(jì)性；并通過有限元分析驗(yàn)證了節(jié)點(diǎn)承載力。
關(guān)鍵詞：斜撐框架  復(fù)雜節(jié)點(diǎn)  焊接結(jié)構(gòu)優(yōu)化  工藝性  經(jīng)濟(jì)性  有限元分析

1．工程概況

廣東興業(yè)國際倉儲(chǔ)項(xiàng)目科研主樓主體工程建筑外形呈立放的巨型玉璧，外徑146.6m，內(nèi)徑47m，寬28.8m，總高度138m。結(jié)構(gòu)形式為鋼支撐框架+鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)，由核心筒、外斜撐框架、轉(zhuǎn)換桁架和外伸剛臂、內(nèi)鋼框架和鋼梁+混凝土組合樓蓋等組成，前三者構(gòu)成了本工程主要受力結(jié)構(gòu)，見圖1。

外斜撐框架共兩榀，由框架柱、鋼斜撐和外環(huán)梁、內(nèi)環(huán)梁、水平梁組成，見圖2；布置在結(jié)構(gòu)南北兩側(cè)，立面投影大致成圓環(huán)

且左右對(duì)稱。框架柱為方鋼管混凝土柱，截面尺寸為日1400x600x14～日1400x800x35、□600x35等；鋼斜撐采用箱型截面

尺寸為□1400x500x50、□500x500x8～35；水平梁截面尺寸為□500x500x8～25；內(nèi)環(huán)梁和外環(huán)梁均為□1000x500x12。鋼

材材質(zhì)為Q345B，壁厚≥40mm為Q345GJC。

斜撐框架復(fù)雜節(jié)點(diǎn)由上述構(gòu)件匯交而成，主要有18種，部分節(jié)點(diǎn)在節(jié)點(diǎn)區(qū)域壁厚加強(qiáng)，主要復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的分布與構(gòu)造見圖3，根據(jù)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的相似性，歸類如下：

（1）B、C、E、J節(jié)點(diǎn)：鋼斜撐（□1400x500x50）與框架柱（日1400x600x50）匯交形成節(jié)點(diǎn)本體，翼板采用X形或Y形的蝶形板；框架梁（□500）和鋼斜撐（□500）交于本體上；柱內(nèi)灌混凝土。
（2）R節(jié)點(diǎn)：兩鋼斜撐（□1400x500x50）匯交形成節(jié)點(diǎn)本體，翼板采用X形的蝶形板；框架柱（□600）、框架梁（□500）及轉(zhuǎn)換桁架（□600）貫于本體上。
（3）K、L、M、V節(jié)點(diǎn)：兩鋼斜撐（□500）匯交成X形（翼板為X形的蝶形板）或鋼斜撐（□500）與框架梁（□500）匯交成卄形，通過箱型牛腿掛于框架柱（□600）。
（4）A、D、H、S、W、X、Z節(jié)點(diǎn)：鋼斜撐（□500）、框架梁（□500）、內(nèi)外環(huán)梁（□1000x500）或轉(zhuǎn)換桁架（□600）匯交于框架柱（日1400x600）上。
（5）N、P節(jié)點(diǎn)：框架柱（□600）、框架梁（□500）、轉(zhuǎn)換桁架（□600）等匯交于鋼斜撐（□1400x500x50）上。
2．復(fù)雜節(jié)點(diǎn)焊接結(jié)構(gòu)優(yōu)化原則
本工程斜撐框架節(jié)點(diǎn)受力復(fù)雜、內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜、制作工藝復(fù)雜、現(xiàn)場施工難度大，通過對(duì)其進(jìn)行工藝性分析，具有下述特點(diǎn)：
（1）節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造復(fù)雜，內(nèi)部勁板密集，正斜、交錯(cuò)的布置形式，形成的內(nèi)部多腔體、小夾角腔體，現(xiàn)場混凝土澆筑難密實(shí)，實(shí)體工藝試驗(yàn)也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。
（2）節(jié)點(diǎn)內(nèi)部空間一定，勁板的密集與交錯(cuò)布置，造成內(nèi)部施焊空間小，焊接不可達(dá)，工廠制作難度大。

（3）節(jié)點(diǎn)翼板X、Y形的蝶形板構(gòu)造，需整板下料，材料利用率低，且節(jié)點(diǎn)內(nèi)部50mm厚勁板Q345GJC-Z25的材質(zhì)要求，未能充分利用材料的強(qiáng)度。
針對(duì)節(jié)點(diǎn)特點(diǎn)，結(jié)合制作工藝、現(xiàn)場施工工藝及節(jié)點(diǎn)受力性能，優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)必須遵循充分理解原設(shè)計(jì)意圖，保證節(jié)點(diǎn)的承載力，滿足工廠制作和現(xiàn)場施工的工藝性要求的原則，并合理降低工程建造成本，實(shí)現(xiàn)一定的經(jīng)濟(jì)性。
（1）合理選擇和利用材料，提高材料的利用率并充分發(fā)揮構(gòu)件材料的強(qiáng)度。
（2）合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式，盡量采取簡單、平直明快的構(gòu)造形式，滿足工廠焊接可達(dá)性和現(xiàn)場灌漿密實(shí)性的工藝性要求，有利于施工的方便性、高效性。
3．復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的焊接結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
3.2.1 斜撐框架A類節(jié)點(diǎn)
斜撐框架A類節(jié)點(diǎn)由口1400x600x25鋼柱、四根口500x16斜撐桿及兩根口600x20水平桿件匯交成。內(nèi)部勁板正斜交錯(cuò)，板件全熔透焊接施焊難度大，焊接死角多；節(jié)點(diǎn)中存在斜向加勁板，灌漿難以密實(shí)，見圖4。
節(jié)點(diǎn)優(yōu)化：
（1）該節(jié)點(diǎn)四根斜撐桿件受力較小，把斜支撐在節(jié)點(diǎn)中的斜向勁板改為水平勁板，主要受力通過鋼柱傳遞；
（2）節(jié)點(diǎn)在斜撐桿件翼緣板位置設(shè)置有一道豎向加勁板，該加勁板與鋼柱中間豎向構(gòu)造勁板間隔僅100mm，考慮到鋼柱中間豎向板為構(gòu)造勁板，節(jié)點(diǎn)區(qū)域加勁板較多，故取消鋼柱中間豎向構(gòu)造勁板。
通過簡化內(nèi)部構(gòu)造，節(jié)點(diǎn)內(nèi)板件均滿足焊縫可達(dá)性，且可以滿足節(jié)點(diǎn)灌漿密實(shí)，見圖5。

3.2.2斜撐框架B類節(jié)點(diǎn)
斜撐框架B類節(jié)點(diǎn)由口1400x600x50鋼柱、兩根口1400x600x50斜撐桿、兩根口500x16斜撐桿及兩根口600x20水平桿匯交成。

內(nèi)部勁板厚且正斜交錯(cuò)，斜厚板全熔透焊接難度大，節(jié)點(diǎn)內(nèi)勁板焊接死角多；節(jié)點(diǎn)中加勁板密集，灌漿難以密實(shí)；節(jié)點(diǎn)翼緣板

為X型蝶形板，板件下料浪費(fèi)嚴(yán)重，見圖6。

節(jié)點(diǎn)優(yōu)化：
1、該節(jié)點(diǎn)兩根大斜撐桿件受力較大，鋼柱無法直接承受斜撐桿上的力。為讓上部斜撐桿上的力能直接而有效的傳遞到下部斜撐桿

上，在斜撐桿及豎向鋼柱中增加兩道50mm厚豎向勁板，斜撐桿上的力由增加的豎向加勁板有效的傳遞到下部構(gòu)件上。 
2、取消斜撐桿在鋼柱中的加勁板，僅保留水平桿件在節(jié)點(diǎn)中的水平加勁板，保證水平鋼梁水平方向力有效傳遞下滿足現(xiàn)場灌漿施工。
3、取消X型蝶形整板，減少工廠下料損失。
保證結(jié)構(gòu)安全前提下通過改變及簡化內(nèi)部構(gòu)造，使節(jié)點(diǎn)內(nèi)加勁板件均滿足焊縫要求，且可以滿足節(jié)點(diǎn)灌漿密實(shí)，見圖7。
3.2.3斜撐框架M類節(jié)點(diǎn)
斜撐框架M類節(jié)點(diǎn)由四根口500x16斜撐桿相交叉并通過箱型連接桿與口600x16鋼柱匯交成。內(nèi)部勁

圖8  M類節(jié)點(diǎn)優(yōu)化前形式

節(jié)點(diǎn)優(yōu)化：
1、該節(jié)點(diǎn)受力較小且主要受壓，為保證主體斜支撐桿有效傳力，在X型交叉節(jié)點(diǎn)中采用豎板傳遞斜支撐所受的力。
2、把X型節(jié)點(diǎn)與鋼柱連接的箱型連接桿的加勁板作為主要傳力板件，斜支撐的腹板與之相貫，并在相交位置增設(shè)一塊水平勁板傳遞水平力。
3、豎向勁板把節(jié)點(diǎn)的X型蝶形整板分開為兩塊K型整板，減少工廠下料損耗。
保證傳力合理有效的前提下，簡化結(jié)構(gòu)形式，保證板件焊接可達(dá)性并減少焊縫重疊，從而減少應(yīng)力集中，見圖9。

斜撐框架R類節(jié)點(diǎn)由兩根口1400x600x35斜撐桿、一根口600x16豎桿、兩根口600x20水平桿及一個(gè)轉(zhuǎn)換

桁架匯交成。內(nèi)部勁板厚且正斜交錯(cuò)，節(jié)點(diǎn)內(nèi)勁板焊接死角多；節(jié)點(diǎn)翼緣板為X型蝶形板，板件下料浪費(fèi)

嚴(yán)重，見圖10。

1、該節(jié)點(diǎn)主要受力構(gòu)件為兩根斜支撐及轉(zhuǎn)換桁架構(gòu)件，在保證主要受力構(gòu)件不變的情況下減少非主要受力桿

件的加勁板，以簡化節(jié)點(diǎn)形式，使節(jié)點(diǎn)滿足工廠組裝工藝要求。

斜撐框架V類節(jié)點(diǎn)由四根口600x25斜撐桿、一根口600x20豎桿及一個(gè)轉(zhuǎn)換桁架匯交成，四根斜撐桿組

成的X型節(jié)點(diǎn)與豎向鋼柱通過兩塊豎向勁板連接。內(nèi)部勁板多特別是轉(zhuǎn)換桁架伸過來的勁板正斜交錯(cuò)，

節(jié)點(diǎn)內(nèi)勁板焊接死角多，見圖12。

2、采用豎向勁板及水平勁板傳遞斜支撐腹板豎向受力及水平受力，在滿足主要桿件受力情況下簡化節(jié)

點(diǎn)形式，使板件均可焊接。

斜撐框架為本工程受力體系主要組成之一，利用大型有限元分析軟件ANSYS對(duì)優(yōu)化后節(jié)點(diǎn)的承載力校

核，結(jié)果表明優(yōu)化后節(jié)點(diǎn)的承載力滿足結(jié)構(gòu)受力需要。以B節(jié)點(diǎn)為例，計(jì)算結(jié)果如圖14

從上圖可以看出，優(yōu)化后在設(shè)計(jì)荷載下節(jié)點(diǎn)區(qū)域Von-Mises應(yīng)力為230Mpa，小于材料屈服強(qiáng)度280Mpa（

節(jié)點(diǎn)區(qū)域板厚為50mm）；在極限荷載下（2倍的設(shè)計(jì)荷載）下，優(yōu)化后節(jié)點(diǎn)交匯區(qū)域應(yīng)力分別達(dá)到324Mpa。

通過對(duì)本工程復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的工藝性分析，有目的、有針對(duì)性的進(jìn)行焊接結(jié)構(gòu)優(yōu)化，保證節(jié)點(diǎn)承載力的前提下，

解決了本工程復(fù)雜節(jié)點(diǎn)工廠制作的焊接可達(dá)性和現(xiàn)場灌漿難密實(shí)的難題；并提高了材料的利用率，且節(jié)點(diǎn)結(jié)

構(gòu)的簡化提高了施工工效，降低工程成本，確保了復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的工藝性并實(shí)現(xiàn)了一定的經(jīng)濟(jì)性。

（浙江精工鋼結(jié)構(gòu)有限公司，浙江紹興  312030）