花 夏

(江蘇省建筑設(shè)計研究院有限公司 第一設(shè)計院,江蘇 南京 210000)

1 工程概況與研究背景

大跨度鋼雨棚體系輕盈、造型多變，在建筑中應(yīng)用非常廣泛。這種結(jié)構(gòu)形式跨度、柱距通常都比較大，為了造型美觀，通常會做分叉柱，這種樹形柱的支撐柱形式，本質(zhì)上是在不減少鋼雨棚柱距的前提下，在一定程度上減少雨棚結(jié)構(gòu)的實際跨度，彎矩部分轉(zhuǎn)換成了斜撐的軸力，充分利用鋼結(jié)構(gòu)桿件的強度[1]。這種形式使得分叉節(jié)點相連的構(gòu)件內(nèi)力巨大。本工程鋼柱和斜撐均為圓管。鋼柱與支撐節(jié)點通常采用圓管的相貫焊接節(jié)點，并且可在圓管相貫處插板以增加強度，但是從諸多設(shè)計案例以及相關(guān)研究成果來看，相貫焊接節(jié)點對于樹形柱節(jié)點這種受力復(fù)雜部位存在很多不足之處：(1)相貫節(jié)點的剛度和強度的影響因素很多，比如主管壁厚及主管、支管的管徑比，無法保證絕對的剛接；(2)相貫節(jié)點的加工較為復(fù)雜，與普通焊接相比，難度較大，施工質(zhì)量較難保證，在關(guān)鍵節(jié)點應(yīng)用，需要采取額外的加強措施，例如增設(shè)插板、法蘭盤、外加勁肋等，對于建筑本身的美觀會產(chǎn)生一定的影響；(3)節(jié)點多重焊縫造成的應(yīng)力集中，對節(jié)點本身的強度會造成影響。所以，對于受力復(fù)雜的節(jié)點，一般都需要專門的設(shè)計驗算[2]。

本工程位于江蘇南京金馬路地鐵站，為地鐵上蓋工程，雨棚為該項目入口。雨棚通過4根鋼柱從地下室頂板上支撐，柱距為26.1 m×34.8 m，雨棚頂外包尺寸為59.2 m×52.4 m，柱頂通過3根分叉支撐起雨棚，雨棚頂為波浪造型。

圖1 鋼雨棚計算模型Fig 1 Calculation model of steel canopy

本工程出于結(jié)構(gòu)安全和建筑美觀的考慮，決定采用鑄鋼節(jié)點。伴隨著工藝的提高和技術(shù)的進步，鑄鋼節(jié)點在工程中的應(yīng)用越來越廣泛。在日本、德國等發(fā)達國家，鑄鋼節(jié)點已經(jīng)隨處可見；國內(nèi)鑄鋼件的應(yīng)用剛剛興起，最近幾年，在一些大跨結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用得到了非常好的效果。鑄鋼節(jié)點的優(yōu)點很多：(1)節(jié)點剛度大；(2)節(jié)點在工廠內(nèi)一體成型，各種復(fù)雜的造型易于實現(xiàn)；(3)在設(shè)計過程中，可以考慮預(yù)留各種接口，易于連接，可以避免多重焊縫造成的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

2 計算模型和設(shè)計參數(shù)

2.1 計算模型

本工程利用Midas gen對主體結(jié)構(gòu)進行計算，計算單元均為梁單元，該雨棚與主體其余結(jié)構(gòu)單體均無連接，4個鋼柱剛接于地下室頂板，鋼柱與柱頂?shù)闹蝿偨樱紤]到傳力的簡潔，支撐與雨棚頂?shù)匿摿号c梁底鉸接，這樣也可以簡化該節(jié)點做法。

雨棚頂面為一個波浪造型的大跨大懸挑結(jié)構(gòu)，柱頂支撐為三叉造型，彼此呈60°分布，三叉最前端支點懸挑10 m，且彼此之間跨度為45 m，雨棚頂部為波浪造型，在谷底處必須考慮積雪不均勻分布造成的荷載，該雨棚的造型使其受力體系極其復(fù)雜。

圖2 雨棚平面圖Fig 2 Canopy plan

圖3 剖面圖Fig 3 Profile

2.2 設(shè)計參數(shù)

(1)荷載作用

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[3]的規(guī)定，以及實際建筑使用功能取值如下：

(a)永久荷載標準值：上屋面采用張拉膜結(jié)構(gòu)，下屋面考慮穿孔鋁板，共計70 kg/m2；

(b)可變荷載標準值：不上人屋面考慮0.5 kN/m2的活荷載， 0.65 kN/m2的雪荷載，按大者考慮，考慮0.65 kN/m2的雪荷載，按照文獻[3]7.2節(jié)的規(guī)定，考慮屋面積雪不均勻造成的荷載；

(c)風(fēng)荷載：計算取基本風(fēng)壓為0.40 kN/m2，地面粗糙度為B類，考慮-2.0的風(fēng)吸體型系數(shù)；

(d)溫度作用：考慮到南京當(dāng)?shù)氐氖┕l件和該項目的施工周期，考慮25 ℃的升溫和15 ℃的降溫荷載；

(e)地震作用：本工程的抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計地震分組為第一組，場地土類別為III類，設(shè)計基本地震加速度值為0.10 g，特征周期值為0.45 s。

(2)建筑設(shè)計分類

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[4]和本工程的設(shè)計要求，該雨棚的結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50 a，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，建筑抗震設(shè)防類別為丙類，建筑耐火等級為一級。

(3)荷載效應(yīng)組合

為了得到該結(jié)構(gòu)在實際使用中不同情況下的反應(yīng)，需要進行荷載組合，根據(jù)文獻[3-4]以及《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標準》[5]的相關(guān)規(guī)定，分為承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)考慮荷載組合。

(4)構(gòu)件截面

構(gòu)件分布詳見平面圖，構(gòu)件截面大小詳見表1：

表1 鋼結(jié)構(gòu)材料表Table 1 Material list of steel structure

2.3 計算結(jié)果

圖4 恒載下的撓度Fig 4 Deflection under dead load

圖5 活載下的撓度Fig 5 Deflection under live load

圖6 風(fēng)載下的撓度 圖7 應(yīng)力比 Fig 6 Deflection under wind load Fig 7 Stress ratio

由上面結(jié)果可得，反拱構(gòu)件自重這部分恒載造成的變形，撓度滿足1/250的要求，懸挑端為1/125；應(yīng)力比最大為0.91小于0.95，可以滿足要求。由此可得，本結(jié)構(gòu)是安全可靠的。

3 鑄鋼節(jié)點分析

3.1 設(shè)計計算

在設(shè)計鑄鋼節(jié)點時，必須充分考慮施工過程中的安裝順序這一環(huán)節(jié)[6]。由于節(jié)點的連接桿件是空間的，可以是任意方向，所以，必須利用相關(guān)有限元軟件對節(jié)點進行三維設(shè)計計算，主要原則是：

(1) 材料必須具有良好的易焊性；

(2) 節(jié)點連接的各桿件最好中心交匯，不要產(chǎn)生不必要的偏心荷載；

(3) 節(jié)點的桿件外徑不得小于連接的桿件，其主要受力桿件壁厚最好為連接桿件的2倍，次要構(gòu)件壁厚不得小于連接構(gòu)件的壁厚；

(4) 節(jié)點與構(gòu)件的連接應(yīng)為等強連接；

(5) 截面變化及壁厚變化處按規(guī)范要求，平滑過渡。根據(jù)選材匹配的原則，鑄鋼節(jié)點的材料特性應(yīng)與主結(jié)構(gòu)采用的材料性能盡量匹配，由于材料本身的區(qū)別，只能盡量在各項參數(shù)選用主要性能相當(dāng)，其余參數(shù)接近的原則考慮，《一般工程與結(jié)構(gòu)用低合金鋼鑄件》(GB/T 14408—2014)[7]中材料牌號為ZGD345-570材料和《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》(GB 50017—2017)[8]中的材料牌號為ZG340-550H材料均與主結(jié)構(gòu)使用的Q345B材料材性接近，通過與鋼結(jié)構(gòu)加工廠家的溝通，最終選用ZG340-550H為鑄鋼節(jié)點的最終材料，ZG340-550H彈性模量為E=206 000 MPa，泊松比μ=0.3，屈服強度取340 MPa，設(shè)計強度取265 MPa；材性詳見下表：

表2 ZG340-550H鑄鋼化學(xué)成分表Table 2 Chemical composition table of ZG340-550H cast steel

表3 鑄鋼力學(xué)性能表Table 3 Mechanical properties table of cast steel

鑄鋼節(jié)點采用Midas fea進行有限元分析，單元選取shell單元。鑄鋼件壁厚，取50 mm厚，在兩管交界處取壁厚75 mm。

根據(jù)Midas gen模型的計算結(jié)果，從模型中提取節(jié)點區(qū)各桿件荷載組合內(nèi)力設(shè)計值。經(jīng)對比，選擇的受力最大桿件單元編號如圖8，單元內(nèi)力見表4。

對節(jié)點區(qū)各桿件端部分別施加節(jié)點集中荷載(通過節(jié)點耦合方式，施加軸向力、剪力、彎矩和扭矩)，下部鋼柱頂部處作為鑄鋼節(jié)點的支座，施加剛性節(jié)點約束，模型如圖9。

表4 桿件內(nèi)力表Table 4 Internal force table of member

圖8 桿件編號圖Fig 8 Diagram of member number

圖9 節(jié)點荷載及邊界條件圖Fig 9 Diagram of node load and boundary condition

3.2 計算結(jié)果

由于鑄鋼節(jié)點具有良好的塑性特質(zhì)，強度應(yīng)采用von-mises 應(yīng)力，其應(yīng)力分布及整體變形如圖10。

圖10 整體應(yīng)力分布Fig 10 Global stress distribution

圖11 整體變形分布Fig 11 Global deformation distribution

由節(jié)點von-mises 應(yīng)力分布圖可知，各支管上最大應(yīng)力為322.3 MPa，中間連接處最大von-mises 應(yīng)力303.9 MPa，位于P900×30與主管P1250×40相貫線位置處。應(yīng)力超過強度設(shè)計值263 MPa 的區(qū)域僅僅分布在各支管與主管的相貫線交界處，在連接處，我們也做了加強處理，這是符合設(shè)計意圖的。

由整體應(yīng)力分布圖11可知，本節(jié)點仍處于彈性狀態(tài)，所有單元應(yīng)力均小于屈服強度340 MPa，節(jié)點強度滿足規(guī)范要求，節(jié)點安全可靠。同時，節(jié)點最大變形僅為17.9 mm，其剛度滿足要求。

根據(jù)《鑄鋼節(jié)點應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(CECS 235—2008)[9]第4.3.9條，需補充節(jié)點彈塑性有限元分析，以求得節(jié)點極限承載力,保證節(jié)點極限承載力在節(jié)點承載力設(shè)計值的3倍以上。

將Midas gen中計算模型中提取的內(nèi)力放大10倍分別施加到對應(yīng)的位置，進行荷載-位移全過程分析，當(dāng)施加到3.76倍荷載設(shè)計值，節(jié)點最大應(yīng)力為415.4 MPa，仍小于鑄鋼節(jié)點材料極限抗拉強度550 MPa。偏安全考慮，可認為節(jié)點達到其極限承載力，如圖12。

圖12 節(jié)點極限承載力應(yīng)力分布Fig 12 Stress distribution of ultimate bearing capacity of joints

4 結(jié)論

本文對于大跨度鋼雨棚及鑄鋼節(jié)點分析，得出以下結(jié)論：

(1) 本次鋼雨棚的設(shè)計是符合相關(guān)規(guī)范要求的，并且很好地切合了建筑意圖，實現(xiàn)了造型的需求；

(2) 對于大跨度造型復(fù)雜的鋼雨棚，受力復(fù)雜的關(guān)鍵部位宜采用鑄鋼節(jié)點；鑄鋼節(jié)點可大大減少結(jié)構(gòu)復(fù)雜部位處的多重焊縫，對結(jié)構(gòu)受力非常有利；

(3) 鑄鋼節(jié)點應(yīng)單獨用有限元計算分析其承載能力和變形能力，如受力特別特別復(fù)雜甚至需用試驗加以驗證。

5 展望

隨著時代的發(fā)展，各式各樣輕盈的大跨度鋼雨棚會越來越多，造型也會越來越多變，那對于梁柱等關(guān)鍵節(jié)點的要求也會隨之越來越高，對鑄鋼節(jié)點的需求也就越來越大；隨著科技的進步，鋼材的種類也越來越豐富，加大了鑄鋼節(jié)點實現(xiàn)的可能；而各種有限元軟件的不斷成熟，也在豐富我們計算鑄鋼節(jié)點特性的手段[10]。所以，我們有理由相信，鑄鋼節(jié)點在未來的結(jié)構(gòu)中，將發(fā)揮越來越大的作用。