網(wǎng)架結(jié)構(gòu)已經(jīng)在建筑工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，而傳遞網(wǎng)架結(jié)構(gòu)內(nèi)力的關(guān)鍵部位之一就是鑄鋼節(jié)點(diǎn)，滿足網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)的受力要求是保證網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的必要條件。重慶江北機(jī)場(chǎng)新建航站樓實(shí)體網(wǎng)架工程中的空間鑄鋼節(jié)點(diǎn)不僅空間造型各異，而且受力情況相對(duì)復(fù)雜，為此，對(duì)此網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)進(jìn)行力學(xué)性能分析。首先通過(guò)ANSYS有限元軟件分析了節(jié)點(diǎn)區(qū)域在設(shè)計(jì)荷載作用下應(yīng)力分布情況以及變形量，判斷其能否滿足實(shí)際工程設(shè)計(jì)要求；其次通過(guò)試驗(yàn)分級(jí)加載得到荷載-位移曲線和此時(shí)的應(yīng)力及變形云圖；然后進(jìn)一步研究了節(jié)點(diǎn)破環(huán)時(shí)的一些特征；后對(duì)此類異形鑄鋼節(jié)點(diǎn)使用及施工過(guò)程提出優(yōu)化建議。

關(guān)鍵詞：鑄鋼節(jié)點(diǎn)；有限元分析；結(jié)構(gòu)；試驗(yàn)DOI:10.13206/j.gjg201606010

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)已在建筑工程中廣泛應(yīng)用，許多大跨度、大體量、平面復(fù)雜、體型新穎的異型殼體等大型公共建筑相繼出現(xiàn)。重慶江北國(guó)際機(jī)場(chǎng)新建T3A航站樓同樣采用了正交正放四角錐鋼桁架，網(wǎng)格主要平面投影尺寸為6mx6m，網(wǎng)架高度為4~6m。其平面沿南北向設(shè)置了4道天窗帶，天窗帶兩側(cè)屋蓋有1~4.3m高差，建筑造型要求屋蓋下表面也形成相應(yīng)高差，天窗處采用立體桁架結(jié)構(gòu)，桁架節(jié)點(diǎn)采用大量的鑄鋼節(jié)點(diǎn)。由于網(wǎng)架天窗部位部分鑄鋼節(jié)點(diǎn)構(gòu)造為復(fù)雜，端口較多，受力較大，對(duì)其進(jìn)行有限元分析是保證該工程順利進(jìn)行的必要條件。

為了使工作更具代表性，所選取的鑄鋼節(jié)點(diǎn)都是位置比較典型，受荷相對(duì)較大的節(jié)點(diǎn)，只要選取的節(jié)點(diǎn)能夠滿足強(qiáng)度要求，其他鑄鋼節(jié)點(diǎn)承載力亦沒(méi)有問(wèn)題。網(wǎng)架上鑄鋼節(jié)點(diǎn)的選取位置見(jiàn)圖1。

1網(wǎng)架結(jié)構(gòu)鑄鋼節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用現(xiàn)狀及特點(diǎn)

隨著空間結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展，結(jié)構(gòu)的跨度越來(lái)越大，結(jié)構(gòu)形式日趨多樣，結(jié)構(gòu)中構(gòu)件間節(jié)點(diǎn)的連接方式和力學(xué)性能亦日趨復(fù)雜，而節(jié)點(diǎn)構(gòu)造是否合理，對(duì)結(jié)構(gòu)的受力性能、施工工藝、工程造價(jià)都有相當(dāng)大的影響。目前，傳統(tǒng)的焊接球節(jié)點(diǎn)、鋼管相貫節(jié)點(diǎn)等節(jié)點(diǎn)形式難以在構(gòu)造及制作工藝上滿足要求，因此，具有良好適用性的鑄鋼節(jié)點(diǎn)受到工程界的青睞。鑄鋼節(jié)點(diǎn)可以避免或降低構(gòu)件相接處的應(yīng)力集中程度，具有節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)自由度大、外形美觀等特點(diǎn)。

在國(guó)外，鑄鋼節(jié)點(diǎn)已有很多成功應(yīng)用的實(shí)例，如日本名古屋體育館的單層球面網(wǎng)殼，采用了帶加勁肋的圓柱狀鑄鋼節(jié)點(diǎn)；德國(guó)斯圖加特機(jī)場(chǎng)航站樓的主體結(jié)構(gòu)為樹(shù)狀仿生結(jié)構(gòu)，其“主干”與“支干”的連接部位全部采用了鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)一些工程也大量使用鑄鋼節(jié)點(diǎn)，如上海新國(guó)際博覽中心、鄭州國(guó)際會(huì)展中心、天津奧林匹克體育中心等。

重慶T3A航站樓所采用的鑄鋼節(jié)點(diǎn)就是將鑄鋼材料通過(guò)鑄型而成的一種節(jié)點(diǎn)，將鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件、部件或板件連接成一整體。該節(jié)點(diǎn)較以往其他工程使用的鑄鋼節(jié)點(diǎn)受力更為復(fù)雜、造型更為迥異。相比于傳統(tǒng)焊接節(jié)點(diǎn)，重慶江北機(jī)場(chǎng)新建T3A航站樓所用的鑄鋼節(jié)點(diǎn)具有如下特點(diǎn)：

1)鑄鋼節(jié)點(diǎn)在工廠內(nèi)整體澆鑄，在局部高應(yīng)力區(qū)形成圓角和圓滑過(guò)渡的截面，不僅可免去相貫線切割及重疊焊縫焊接引起的應(yīng)力集中，將應(yīng)力集中系數(shù)降低到原來(lái)的40%，而且具有美觀的流線型外形。2）節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)自由度大，可根據(jù)建筑外形、受力狀況、澆鑄工藝等設(shè)計(jì)出合理的截面形狀，以改善節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布狀況。3）節(jié)點(diǎn)整體澆鑄而成，壁厚一般大于相鄰構(gòu)件，節(jié)點(diǎn)剛度大且整體性好。4）疲勞性能、耐腐蝕性能、抗震性能均好。

鑄鋼件選用CECS235:2008《鑄鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》的G20Mn5高強(qiáng)度低合金材質(zhì)，鑄鋼件通過(guò)熱處理不僅有較高的強(qiáng)度和韌性，且焊接性能良好，有利于現(xiàn)場(chǎng)的施工和焊接。詳細(xì)的力學(xué)性能見(jiàn)表1。

由于鑄鋼節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多，本分析選取了網(wǎng)架中部分受力較大的上弦或下弦節(jié)點(diǎn)為分析對(duì)象，分析內(nèi)容基本可以覆蓋其他節(jié)點(diǎn)受力情況，所選取的鑄鋼節(jié)點(diǎn)形式見(jiàn)圖2。

2有限元分析

2.1有限元模型

由于T3A航站樓中的鑄鋼節(jié)點(diǎn)體型復(fù)雜，直接在ANSYS中建模很困難，所以首先采用SolidWorks進(jìn)行有限元實(shí)體模型的建立，根據(jù)鑄鋼件實(shí)際尺寸采用1：1進(jìn)行模型建立，然后導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行分析，鑄鋼節(jié)點(diǎn)為剛性節(jié)點(diǎn)，因此要選有節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的實(shí)體單元，采用三維實(shí)體單元對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，每個(gè)單元有10個(gè)結(jié)點(diǎn)（4個(gè)角點(diǎn)和6個(gè)中間結(jié)點(diǎn)），每個(gè)結(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度，采用局部加密的自適應(yīng)法劃分節(jié)點(diǎn)計(jì)算模型的網(wǎng)格。

2.2荷載及邊界條件

分析中鑄鋼假定為理想的彈塑性材料，材料的彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為360MPa，進(jìn)行彈塑性分析時(shí)，采用vonMises屈服準(zhǔn)則及相關(guān)的流動(dòng)法則。由于鑄鋼球管節(jié)點(diǎn)的壁比較厚，為提高計(jì)算精度，網(wǎng)格劃分控制單元尺寸為25mm。根據(jù)MST2011求出的各個(gè)桿件的軸力，鑄鋼節(jié)點(diǎn)各個(gè)桿件的內(nèi)力是平衡的，為了使結(jié)果反映節(jié)點(diǎn)的真實(shí)受力狀態(tài)，邊界條件為節(jié)點(diǎn)在某一工況下桿件軸力、彎矩及剪力反向施加與該節(jié)點(diǎn)上。

2.3有限元計(jì)算分析

根據(jù)重慶T3A整體網(wǎng)架的計(jì)算模型，用軟件MST計(jì)算得出各鑄鋼節(jié)點(diǎn)在不利工況組合下的各桿端內(nèi)力，該內(nèi)力即為有限元分析中所施加給節(jié)點(diǎn)的荷載。整體網(wǎng)架工況種類共有157種，限于篇幅，只考慮不利的4種工況，以鑄鋼節(jié)點(diǎn)ZGJ-6為例，只需考慮以下4種不利工況：工況2，即荷載組合為“1.2靜+1.4活”；工況27，即“1.2靜+1.4活+0.84風(fēng)”，工況74，即“1.2靜+1.4活+0.84風(fēng)+0.84溫(+40℃)”；工況94，即“1.2靜+1.4風(fēng)+0.84溫(+40℃)”。這4種工況的分析荷載可以覆蓋其他所有工況的受力情況，由于本次測(cè)試的鑄鋼節(jié)點(diǎn)是典型的空間三維結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)在荷載作用下的性是以節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力低于其設(shè)計(jì)強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)。為此，根據(jù)上述4種工況下所受荷載大小，采用通用有限元程序ANSYS模擬鑄鋼節(jié)點(diǎn)在上述工況下所產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變、變形，并以此作為評(píng)價(jià)鑄鋼節(jié)點(diǎn)性的依據(jù)。

根據(jù)設(shè)計(jì)荷載進(jìn)行線彈性靜力分析，對(duì)具體的6個(gè)鑄鋼節(jié)點(diǎn)ZGJ-1、ZGJ-2、ZGJ-3、ZGJ-4、ZGJ-5、ZGJ-6（圖2）全部進(jìn)行有限元分析，選取典型的鑄鋼節(jié)點(diǎn)ZGJ-6計(jì)算后得到變形圖、von-Mises應(yīng)力云圖如圖3-圖6所示。

從以上結(jié)果可知，ZGJ-6在4種工況下應(yīng)力為180.01MPa，小于的屈服應(yīng)力360MPa。

節(jié)點(diǎn)ZGJ-3在工況2下的應(yīng)力為273.98MPa，是鑄鋼節(jié)點(diǎn)在所有工況下的應(yīng)力，小于的屈服應(yīng)力360MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4彈塑性極限承載性能分析

鑄鋼節(jié)點(diǎn)彈塑性極限承載力分析時(shí)，材料的本構(gòu)關(guān)系采用理想彈塑性模型，限于篇幅，本節(jié)僅給出荷載步的vonMises應(yīng)力云圖。

當(dāng)荷載值為2倍設(shè)計(jì)荷載時(shí)，節(jié)點(diǎn)有部分區(qū)域進(jìn)入塑性區(qū)，應(yīng)力發(fā)生在支管與主管交匯的部位，其vonMises應(yīng)力云圖如圖7所示。

3試驗(yàn)對(duì)比

為了確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，選取鑄鋼件節(jié)點(diǎn)ZGJ-6進(jìn)行了實(shí)體足尺試驗(yàn)（圖8），探究在指定工況2作用下的受力性能，對(duì)此節(jié)點(diǎn)進(jìn)行軸向拉壓試驗(yàn)，檢驗(yàn)其承載能力水平是否滿足設(shè)計(jì)要求。本次試驗(yàn)采用與實(shí)際工程中相同截面的支管，并采用相同的連接方式與鑄鋼件節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)接。