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铸钢索夹节点在弦支穹顶结构设计中的应用
弦支穹顶结构是20世纪末期由日本学者提出的一种新的建筑结构形式，是综合单层网壳结构和索穹顶结构为一体的设计 理念，兼具两种设计结构的优点，在实际建造中建筑物具有良好的力学性质。铸钢节点作为一种新型的节点形式在目前多种空间钢结构 中被广泛应用，在建筑工程施工设计中常见的铸钢节点有铸钢球节点、铸钢索夹节点和铸钢支座节点三种，本文主要阐述了铸钢索夹节 点在建筑工程弦支穹顶结构设计中的应用措施和方式，并且针对其设计、有限元计算进行分析，以期能够为日后同类工程设计提供参考。
关键词：网壳结构;铸钢节点；承载力；弦支穹顶结构
随着空间结构的不断发展,建筑工程结构节点的连接方式和力 学性质的应用日益复杂,其应用效果不断提高为连接方式质量和工 艺提出了更高层次的要求。在国外特别是日本和德国等发达国家， 由于其科学技术水平较高，在工作的过程中对各种铸钢节点的探究 较为深入，尤其是日本，对铸钢节点的研究更是独特。铸钢节点在我 国钢结构中是一种新兴的节点形式，是随着我国建筑行业的不断发 展，对各种空间结构要求不断增加，在施工的过程中对施工工艺和 铸造工艺的应用逐步广泛，成为目前建筑工程施工的主要重点。铸 钢节点在目前我国建筑工程中得到广泛的使用，一些较大的空间结 构施工和设计中不断釆用随着铸造工艺的提高，铸钢节点在我国得 到了日益广泛的应用，在一些大型工程中使用更是广泛。在当前的 建筑工程中，常见的铸钢节点按照其外形可以分为:铸钢球节点、铸 钢相贯节点和铸钢支座节点。本文就通过结合实际工程实例分析， 提出了铸钢节点——钢索夹节点在工程施工中的应用措施和方 法，旨在为日后类似工程提供借鉴依据。
1工程概况
在过去我国建筑工程施工中，普遍都采用传统的空间结构为主 要的施工结构，在施工设计之中，通常采用的结构形式主要有平板 网架结构、双层网壳结构和张拉结构为主要的施工措施和方法。伴 随着目前大跨度结构空间要求的不断兴起，在施工的过程中以传统 的空间结构为主要类型的结构形式逐步无法满足目前的施工体系 要求，这就使得在施工中不断的采用新的施工措施和方法进行控制 和管理，完善施工结构，优化施工措施,利用各种新的施工工艺进行 分析和管理,使得在结构应用中形成系统的体系形式。限制穹顶结 构是目前大跨度建筑结构施工中釆用的主要方式,其在施工中有着 较大的优势和措施。某工程在施工中是釆用混凝土结构为主要的施 工方式和措施,在目前的施工之中其结构要求逐步完善,在施工中 控制手段和要求都是通过目前最先进的科学技术方法进行管理。在 施工中通过上部的屋盖处理方式，下部是通过钢筋混凝土结构方式 进行完整施工。上部结构是目前建筑工程施工的重要手段和方式。 在工程施工和结构设计中，屋盖釆用新型弦支穹顶结构是目前主要 的钢结构方式，通过在目前的控制中结构方式的管理措施和模式。 由上部的刚性空间网壳结构在处理的施工中其完整的处理模式中 能够形成杂交结构体系,是通过在屋盖中采用双层的网壳结构进行 控制，其在外形的处理之中一般都是通过椭圆形屋面，在应用中水 平投影也是椭圆形状和模式的。在控制的应用之中,其在处理中长 轴方向总长165m,短轴方向总长145m,在投影的时候面积控制约 为18800m%在目前的网壳处理之中，形成的管理模式，使得在网格 点的控制中能够结合钢结构材料分析,由于铸钢材料在应用的时候 具有较好的刚度和完整性，因此在计算中材料控制要求较多,使得 其能够形成一套统一的体系。
2计算模型
根据铸钢索夹节点实际尺寸，建立节点空间三维模型作为计算 模型。在建模过程中,虽然环向索索力较大，但索力方向跟铸钢索夹 节点夹角较小，因此不予考虑;另外铸钢节点下半部分对节点受力 影响较小，因此建模时也不予考虑;铸钢节点各边、各相交部位的倒 角圆角及耳板问加劲板建模时忽略。这样简化既可保证计算精度又 可减小计算工作量。铸钢索夹节点计算模型,与所分析铸钢索夹节 点相连的杆件截面、长度、钢号及荷载情况。节点在目前的应用中通 过擦用10个节点作为主要的实体单元控制手段，并且针对当前3 个自由度进行管理，能够实现其完整的体系要求和措施。在当前的 建筑工程管理和施工设计中，对各种节点在控制中要采用自由网络 划分，按照实际要求来分配节点尺寸,确保在设计中实体单元能够 及时的满足目前的社会发展要求。根据最不利荷载作用状态下受力 情况撑杆内力和拉索拉力，将荷载分解为、Y、三个分力直接施加到 模型节点上。在铸钢节点承受撑杆压力处，通过有限元节点施加竖 直向下的荷载;拉索荷载施加在耳板销拴孔受力方向半柱面内的各 节点上。铸钢索夹节点在弦支穹顶结构中是非支座节点，节点汇交 的各杆件的轴力是自身平衡力系，但用ANSYS分析时如果不施加 约束，程序会认为节点不平衡导致计算无法进行。节点计算时约束 一般施加在刚度最大的杆件上，以力求结果反映真实受力状态。在 本铸钢索价节点计算中，刚度最大的是铸钢体本身,结合结构使用 过程中该节点的受力状态,约束直接施加在螺栓孔壁面。
一、在最不利荷载下按弹性计算分析结果显示，节点绝大部分区 域应力远小于材料的屈服强度，处在弹性阶段。节点最大应力为 582.1Mpa,位于拉索耳板与铸钢节点主体交汇处，且应力分布非常 不均匀。屈服区域仅岀现在少数部位，因此即使出现超过屈服点的 极限状态，也可以期待钢材的塑性使屈服应力趋于平缓，避免强度 的破坏。
二、考虑材料非线性的影响，在最不利荷载下进行弹塑性分析,结 果显示，节点的应力峰值约为355.1 MPa, 明在节点局部进入塑性 后，应力进行了重分布，应力趋于平缓,上述结论得到验证。
三、在实际釆用的铸钢索夹节点在浇铸过程中，拉索耳板与铸钢 节点主体交汇处做成倒角，连接部位较平缓,不会产生过大的应力 集中。
3计算结果分析
综上弹性和弹塑性计算分析，铸钢索夹节点在最不利荷载条件 下仅有极少数单元应力超过材料屈服强度，一方面是属于局部应力 集中,另一方面是由荷载施加方式（直接施加到节点上）造成的。节点 局部进入塑性后,应力将会进行重分布，另外在铸造过程中会釆取 相应措施减缓应力集中，因此铸钢节点部分具有足够的安全储备。
4建筑工程节点设计中，新型钢索夹节点的应用在目前工程项目 中是最具有独特风格的。在竣工之后，全部预应力张拉，成形后拉索 索力和结构变形测试结果与理论分析较为吻合。弦支穹顶作为一种 新型的空间结构体系，在我国的应用正在铺开,拟釆用弦支穹顶结 构的有众多的大跨度建筑结构和体育馆。铸钢索夹节点首次在大跨 弦支穹顶结构体系中得到了创新应用,并取得了成功，为类似新型 空间结构的研究与应用提供了有益的参考。