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蚌埠體育中心體育場(chǎng)傘狀鑄鋼支撐節(jié)點(diǎn)有限元分析

鑄鋼節(jié)點(diǎn)在鋼結(jié)構(gòu)工程(特別是諸如大型體育場(chǎng)館、機(jī) 場(chǎng)航站樓、大型鐵路站房以及展覽館、歌劇院等大跨空間結(jié)構(gòu)) 中的應(yīng)用較為廣泛；鑄鋼節(jié)點(diǎn)最大程度避免了多桿交匯焊接 與倒角造成的殘余應(yīng)力；節(jié)點(diǎn)整體澆筑成型，剛度大且整體 性好，抗疲勞以及抗震性能優(yōu)異;具有良好的加工性和適應(yīng)性， 可根據(jù)建筑需要加工岀復(fù)雜多樣的造型。在國(guó)外已有較多的 實(shí)際工程案例釆用鑄鋼節(jié)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)應(yīng)用也得到快速發(fā)展，如 國(guó)家體育場(chǎng)、浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)二期、重慶江北機(jī)場(chǎng)、曲靖體育場(chǎng)、 武漢天河機(jī)場(chǎng)T3航站樓、深圳大運(yùn)會(huì)游泳館等。

由于鑄鋼節(jié)點(diǎn)形狀不規(guī)則、造型不統(tǒng)一且受力復(fù)雜多樣， 因此現(xiàn)階段沒(méi)有相關(guān)通用性復(fù)雜鑄鋼節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法和標(biāo)準(zhǔn)。 多數(shù)針對(duì)復(fù)雜大型鑄鋼節(jié)點(diǎn)釆用試驗(yàn)測(cè)試或有限元分析等方 法來(lái)獲取必要的設(shè)計(jì)參數(shù)、應(yīng)力分布及承載性能。

蚌埠市體育中心體育場(chǎng)鋼罩棚支撐均釆用傘狀復(fù)雜鑄鋼 節(jié)點(diǎn)，底部節(jié)點(diǎn)支撐柱為復(fù)雜鋼骨混凝土柱，本文結(jié)合該工 程實(shí)際應(yīng)用，對(duì)該復(fù)雜鑄鋼支撐節(jié)點(diǎn)及鋼骨混凝土支撐柱進(jìn) 行有限元分析，給出了其在該工程中應(yīng)用的可靠性與安全 性的分析依據(jù)，過(guò)程分析方法可為相關(guān)項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)提供 參考。

蚌埠市體育中心體育場(chǎng)為安徽省第十四屆省運(yùn)會(huì)的主場(chǎng) 館，位于蚌埠市南側(cè)的蚌山區(qū)。體育場(chǎng)平面形狀呈橢圓形， 長(zhǎng)軸徑長(zhǎng)為258m,建筑面積為41400m單體總用鋼量為 12076體育場(chǎng)結(jié)構(gòu)主要由下部混凝土看臺(tái)和上部屋面鋼結(jié) 構(gòu)屋蓋兩部分組成，其中，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋分為東、西兩部分， 整體呈蛟龍形態(tài)，龍頭建筑總高度55m,龍尾建筑總高度約 10m,下部看臺(tái)劃分為東、西、南、北4個(gè)區(qū)域看臺(tái)，東西看臺(tái)由池座看臺(tái)和樓座組成，南北看臺(tái)由池座看臺(tái)組成。整體二層外圍設(shè)置環(huán)形高架平臺(tái)，用于整個(gè)體育場(chǎng)觀眾的水平交 通和疏散。

體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)屋蓋體系釆用變截面徑向鋼梁-三向多點(diǎn) 圓管支撐的結(jié)構(gòu)形式，主要由變截面徑向鋼梁、環(huán)向聯(lián)系桿、 水平支撐和斜向支撐組成。徑向鋼主梁通過(guò)下部傘狀鑄鋼支 撐節(jié)點(diǎn)與看臺(tái)外側(cè)鋼骨混凝土組合柱連接在一起，鋼罩棚最 大懸挑長(zhǎng)度為27 m。

2節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

連接節(jié)點(diǎn)是保證鋼結(jié)構(gòu)安全可靠的關(guān)鍵部位，且對(duì)結(jié)構(gòu) 整體穩(wěn)定性及受力性能有較大影響。合理的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)不僅可 以確保結(jié)構(gòu)整體的安全性，而且可以減小工廠加工制作及現(xiàn) 場(chǎng)施工難度，進(jìn)一步降低工程造價(jià)。因此，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu) 整體設(shè)計(jì)中占據(jù)舉足輕重的地位。現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范及相 關(guān)規(guī)程對(duì)于較為規(guī)則的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)有較為成熟的設(shè)計(jì)方案和 計(jì)算公式，但是對(duì)于造型奇特、復(fù)雜且不規(guī)則的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)， 未有相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法和計(jì)算公式。

目前，針對(duì)特殊鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)主要依靠試驗(yàn)測(cè)試或有限元 模擬來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)測(cè)試方法最為準(zhǔn)確可靠，但其受制于 多方面，如工程工期較緊，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)機(jī)需排隊(duì)；試件加工 及試驗(yàn)測(cè)試費(fèi)用較高；需委托高校或研究所等第三方研究機(jī) 構(gòu)，時(shí)間上無(wú)法自主把控等。

有限元模擬可以有效避免試驗(yàn)測(cè)試帶來(lái)的一系列問(wèn)題， 但是其也存在精準(zhǔn)度質(zhì)疑等問(wèn)題。隨著有限元軟件及模擬技 術(shù)的不斷完善，精準(zhǔn)度越來(lái)越高。本文有限元模擬分析節(jié)點(diǎn) 設(shè)計(jì)判斷準(zhǔn)則是釆用全過(guò)程分析法，將鑄鋼節(jié)點(diǎn)作為一個(gè)“微 型整體”，通過(guò)整體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析獲取節(jié)點(diǎn)各分支單元所受的 包絡(luò)外力或節(jié)點(diǎn)最不利受力組合，根據(jù)節(jié)點(diǎn)“微型整體”在 整體結(jié)構(gòu)中的受力情況，確定節(jié)點(diǎn)的約束邊界條件，分析考 慮材料和幾何雙重非線性，根據(jù)計(jì)算結(jié)果得到節(jié)點(diǎn)荷載-位 移曲線，基于節(jié)點(diǎn)區(qū)域塑性分布及其發(fā)展趨勢(shì)來(lái)作為判斷節(jié) 點(diǎn)是否失效的依據(jù)。

蚌埠體育中心體育場(chǎng)上部鋼結(jié)構(gòu)屋蓋由變截面徑向鋼梁、 環(huán)向聯(lián)系桿、水平支撐和斜向支撐等組成。徑向鋼主梁通過(guò) 下部傘狀鑄鋼支撐節(jié)點(diǎn)與看臺(tái)外側(cè)鋼骨混凝土組合柱連接在 一起，鋼罩棚最大懸挑長(zhǎng)度為27m。主受力徑向鋼梁釆用變 截面弧形H型鋼，環(huán)向聯(lián)系桿、水平支撐及斜向支撐均釆用 大截面圓鋼管。由于鋼結(jié)構(gòu)屋蓋懸挑跨度大，結(jié)構(gòu)形狀曲率 大且不規(guī)則，因此徑向主鋼梁上下支撐節(jié)點(diǎn)部位受力大且復(fù) 雜，釆用傳統(tǒng)焊接節(jié)點(diǎn)已無(wú)法滿足設(shè)計(jì)、加工制作及安裝施 工要求。

通過(guò)整體分析桿件在支撐節(jié)點(diǎn)處的受力及相互作用關(guān)系， 應(yīng)用傘狀節(jié)點(diǎn)如圖1所示，將上部鋼屋蓋結(jié)構(gòu)與下部支撐鋼骨 混凝土柱連接在一起，完全承擔(dān)上部鋼屋蓋結(jié)構(gòu)傳遞下來(lái)的 所有復(fù)雜組合力及彎矩。傘狀支撐和下部支撐柱的連接節(jié)點(diǎn) 內(nèi)力較大、受力復(fù)雜、交匯角度小、焊接施工難度大，節(jié)點(diǎn) 區(qū)域承受組合力，為保證結(jié)構(gòu)的安全性、方便施工并兼顧建 筑美觀要求，傘狀支撐和支撐柱最終釆用鑄鋼節(jié)點(diǎn)形式。最 終基于有限元計(jì)算分析結(jié)果，確定傘狀鑄鋼節(jié)點(diǎn)的幾何尺寸、 材料屬性和倒角半徑等設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)一步確定型鋼柱內(nèi)的型 鋼、加勁肋、鋼筋及混凝土等部件的設(shè)計(jì)參數(shù)。