呂洋 張文斌 李成銘 方守建 張宏宇

（中國建筑第八工程局有限公司鋼結(jié)構(gòu)工程公司 上海 200125）

1 工程概況

中央美術(shù)學(xué)院青島校區(qū)位于青島市黃島區(qū)唐島灣南岸西側(cè)，銀沙灘路以西，西環(huán)島路以北，西海岸藝術(shù)灣以東。工程總建筑面積約為11.9萬m2，涵蓋教學(xué)樓、實(shí)驗(yàn)室、圖書館、教職工公寓樓、食堂、學(xué)生宿舍、禮堂和相關(guān)設(shè)備用房等區(qū)域。

本工程鋼結(jié)構(gòu)主要分布在鋼連橋、宿舍樓、公寓樓屋面部分，主要包括圓管柱、箱型柱、桁架、箱型梁、弧形鋼梁、螺栓球等構(gòu)件類型，總噸位約15 000 t。

連橋地下一層，地上五層，高度24 m，交通體通過跨層桁架連橋進(jìn)行連接，桁架高度8.6 m，最大跨度73.5 m，總噸位約14 500 t。

圖1 項(xiàng)目效果圖

禮堂網(wǎng)架、宿舍樓、公寓樓屋面主要包括螺栓球、圓管柱和弧形方管梁，總噸位約500 t。

2 施工特點(diǎn)與難點(diǎn)

本項(xiàng)目連橋結(jié)構(gòu)類型屬于鋼框架結(jié)構(gòu)，跨層桁架截面高度達(dá)8.6 m，跨度最大73.5 m，屬于超過一定規(guī)模的危險(xiǎn)性較大的分部分項(xiàng)工程。

本項(xiàng)目連接節(jié)點(diǎn)多且復(fù)雜，并且裝配空間小，難操作。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）連接結(jié)構(gòu)較多，包括腹桿、弦桿、垂直支撐桿件等多方向連接結(jié)構(gòu)。

（2）連接角度多變，曲率難控制。

（3）重要節(jié)點(diǎn)處都為一級熔透焊縫，對焊接工藝要求高，避免焊接過程中變形現(xiàn)象產(chǎn)生。

（4）牛腿及加勁板數(shù)量較多，焊接空間較小，對焊接工藝及組裝工序提出極大挑戰(zhàn)。

（5）大桁架斜撐節(jié)點(diǎn)內(nèi)力較大、受力復(fù)雜、桿件數(shù)量多、交匯角度小，為了保證結(jié)構(gòu)的安全性并方便施工，支撐和柱子最終采用相貫焊接的連接形式。

圖2 復(fù)雜節(jié)點(diǎn)示意圖

節(jié)點(diǎn)處施工工藝流程如下圖3所示。

圖3 節(jié)點(diǎn)施工工藝流程圖

3 有限元分析

由于本項(xiàng)目采用獨(dú)特的“莫比烏斯環(huán)”結(jié)構(gòu)，造型獨(dú)特，曲率多變且節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，為保證復(fù)雜節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)受力均勻合理，我們先進(jìn)行有限元實(shí)體建模，對建好的模型通過ANSYS軟件進(jìn)行彈塑性分析[1]。

從節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖中可以看出應(yīng)力最大值出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)域，通過有限元彈性計(jì)算[2]：

式中：σZS——折算應(yīng)力，按式（2）計(jì)算；

σ1、σ2、σ3——計(jì)算點(diǎn)處的第一、第二、第三主應(yīng)力；

βf—折算應(yīng)力的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值增大系數(shù)。當(dāng)計(jì)算點(diǎn)各主應(yīng)力全部為壓應(yīng)力時(shí)，βf=1.2；當(dāng)計(jì)算點(diǎn)各主應(yīng)力全部為拉應(yīng)力時(shí)，βf=1.0，且最大主應(yīng)力應(yīng)滿足σ 1≤1.1f；其他情況時(shí)，βf=1.1；

γre—有地震作用組合時(shí)的節(jié)點(diǎn)承載力抗震調(diào)整系數(shù)，取0.9。

通過計(jì)算可得出各節(jié)點(diǎn)在最不利荷載組合條件下，其應(yīng)力范圍均處于彈性階段，未發(fā)生塑性破壞,并且該復(fù)雜節(jié)點(diǎn)處主要受壓力，主拉應(yīng)力較小。

圖4 鋼材整體主拉應(yīng)力圖

圖5 應(yīng)力最大位置

4 節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

4.1 復(fù)雜節(jié)點(diǎn)壁厚優(yōu)化

最初設(shè)計(jì)方案將節(jié)點(diǎn)區(qū)柱壁厚確定為40 mm，通過應(yīng)力云圖顯示，應(yīng)力過大。通過不斷增大壁厚確定多個(gè)方案，隨著柱壁厚不斷增加，應(yīng)力不斷減小，在確保安全的前提下選擇最優(yōu)方案，控制施工成本，最終確定最佳壁厚設(shè)置方案為60 mm壁厚。

圖6 鋼柱不同壁厚應(yīng)力圖示

4.2 柱勁板澆注孔徑優(yōu)化

最初設(shè)計(jì)方案將節(jié)點(diǎn)區(qū)柱勁板澆注孔徑確定為650 mm，通過應(yīng)力云圖顯示，應(yīng)力過大。通過不斷減小澆注孔確定多個(gè)方案，隨孔徑增加，應(yīng)力減小，最終確定最佳澆筑孔徑設(shè)置方案為350 mm。

圖7 鋼柱不同澆筑孔徑應(yīng)力圖示

5 質(zhì)量控制

5.1 鋼板材料控制

本工程鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件材質(zhì)主要采用Q355B鋼材，其符合現(xiàn)行國家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》(GB/T1591-2018)及《碳素結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T700-2006）的要求，且鋼材還應(yīng)滿足下列要求：

(1)屈服強(qiáng)度實(shí)測值與抗拉強(qiáng)度實(shí)測值的比值≤0.85，具有明顯的屈服臺階，且伸長率≥20%

(2)鋼材沖擊韌性合格且焊接性能良好；

(3)鋼材應(yīng)滿足抗拉強(qiáng)度、伸長率、屈服強(qiáng)度和硫磷含量要求，且碳含量及冷彎實(shí)驗(yàn)必須合格；

5.2 焊接材料控制

(1)焊接與材料選擇應(yīng)根據(jù)母材的力學(xué)性能、化學(xué)成分、焊接性能并結(jié)合構(gòu)件的焊接方法、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及使用條件綜合考慮，必要時(shí)需通過試驗(yàn)確定。

(2)焊縫金屬的性能不僅要高于或等于相應(yīng)母材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的下限或滿足圖樣規(guī)定的技術(shù)條件要求，并且要符合當(dāng)前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》(GB50661-2011)及其他相關(guān)現(xiàn)行國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，兩種不同鋼材相連時(shí)采用與低強(qiáng)度鋼材力學(xué)性能相適應(yīng)的焊材[3]。

(3)通常采用碳鋼焊條的E50系列焊接Q355鋼構(gòu)件，采用低氫型E5515、E5516系列焊接直接承受動力荷載或振動荷載、厚板焊接的結(jié)構(gòu)。

(4)必須與主體鋼材力學(xué)性能相適應(yīng)的焊絲與焊劑進(jìn)行自動或半自動焊接，且符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。所購焊接材料必須具有鋼廠和焊材生產(chǎn)廠家出具的質(zhì)量證明文件或檢驗(yàn)報(bào)告，其化學(xué)成分、力學(xué)性能、拉力實(shí)驗(yàn)、熔焊點(diǎn)拉伸強(qiáng)度及其它質(zhì)量要求必須符合國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

(5)要對進(jìn)場焊接材料按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相關(guān)復(fù)驗(yàn)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)合格并按說明書上所列采取相應(yīng)烘焙措施后，方可現(xiàn)場使用。

(6)焊條外觀不可出現(xiàn)藥皮脫落、焊芯生銹等缺陷，且焊劑不可受潮結(jié)塊。

5.3 原材驗(yàn)收

(1)驗(yàn)收方式：針對工程的復(fù)雜性、材料多樣性、焊接施工要求高等特點(diǎn)，對進(jìn)場工程材料采取聯(lián)合驗(yàn)收的方式。

(2)驗(yàn)收內(nèi)容及過程：采購鋼材應(yīng)詳細(xì)檢查鋼廠出具的檢驗(yàn)報(bào)告和質(zhì)量證明文件，其化學(xué)組成、力學(xué)性能和其他質(zhì)量要求必須符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，且其質(zhì)量證明文件上的爐批號應(yīng)與鋼材實(shí)物上的標(biāo)識必須一致，否則不得進(jìn)場。按鋼管、型鋼和鋼板尺寸及公差要求，采取抽煙檢測方式；對不同規(guī)格鋼板，檢查其長度、寬度、厚度及平整度等，并檢查鋼管、型鋼及鋼板的外觀質(zhì)量[4]。材料進(jìn)場具體檢驗(yàn)內(nèi)容、方法、要求及檢驗(yàn)過程如表1所示。

表1 材料驗(yàn)收內(nèi)容

6 復(fù)雜節(jié)點(diǎn)加工制造

圖8 組裝步驟及說明

在鋼結(jié)構(gòu)工程中，要求依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙標(biāo)注尺寸及構(gòu)件加工制造工藝要求尺寸通過三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行放樣處理。首先標(biāo)注尺寸打印加工圖，隨后往相應(yīng)的車間下料，最后進(jìn)行加工制造。在本項(xiàng)目施工過程中，對于復(fù)雜節(jié)點(diǎn)空間的構(gòu)件必須要放樣，并對加工人員進(jìn)行技術(shù)交底，避免加工出錯(cuò)。

焊接前應(yīng)對重要節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢查，將誤差控制在允許范圍內(nèi)。焊接時(shí)要保證雙面對稱焊接，且采用先長后短，由里向外的順序進(jìn)行焊接作業(yè)[5]。

為保證精度，在將牛腿與主體結(jié)構(gòu)焊接時(shí)采用定位板方式先定位后焊接，可以將誤差控制在允許范圍內(nèi)[6]。最后在焊接完時(shí)將定位板等輔助結(jié)構(gòu)拆除并打磨光滑，為工程現(xiàn)場安裝奠定良好基礎(chǔ)。

7 結(jié)語

本文采用有限元分析，得出復(fù)雜節(jié)點(diǎn)在最不利荷載條件下，其應(yīng)力范圍均未超出彈性階段，不會發(fā)生塑性破壞，證明其節(jié)點(diǎn)安全性及合理性。深化設(shè)計(jì)過程中，對復(fù)雜節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測算優(yōu)化，最終得出柱壁厚為60 mm時(shí)性能最佳，澆筑孔徑為350 mm時(shí)性能最佳。

從原材到焊接次序及加工組裝方式把控施工過程，保證后續(xù)安裝過程的高效性。為多樣式不規(guī)則曲率桁架鋼結(jié)構(gòu)施工積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。