倾斜圆管柱与钢梁错位转换节点深化及制作技术_胡锦伟.pdf

Architectural and Structural Design建筑与结构设计1引言随着建筑业的发展，结构形式朝着跨度更大、高度更高、形式更加多样等方向发展，而钢结构以其良好的受力性能被广泛地应用于此类结构中，复杂空间钢结构的出现对非常规节点的深化及制作提出了更高的要求，如何对该节点进行深化及制作是急需解决的问题。论文以深圳科技馆（新馆）项目倾斜圆管柱的节点为契机，总结出一套复杂倾斜圆管柱与钢梁错位转换节点深化设计及加工制作技术，后续可在同类项目复杂节点施工中推广。2工程概况深圳科技馆（新馆）是深圳市重点规划建设的新十大文化设施之一。项目占地面积约66 000 m2，建筑面积128 276 m2，结构为地上55.5 m，共6层；地下室10.5 m，共2层。地下室至首层为钢筋混凝土框架结构；25层为钢框架钢筋混凝土混合结构（核心筒为型钢混凝土，外围为钢框架结构）；6层为钢框架-钢桁架结构1。3重难点分析建筑外立面为异形曲面建筑，每层外侧需设置退层式观景阳台，导致外立面钢柱多处错位，斜度较大，且多杆件多角度交汇到一起，常规钢板组合节点难以实现。对于复杂钢结构节点，一般采用铸钢形式，铸钢节点可塑性强、设计自由度大；形状复杂、多分支，复杂多样的建筑造型等性能，这样使任意形状的建筑造型都可以成为现实，目前在一些大跨度空间管桁架钢结构中开始被推广使用，特别是在处理复杂的交汇节点上，铸钢节点有着得天独厚的优势。铸钢节点一般为实心，仅在接口处局部挖空，即使全为空心，也比钢管或钢板厚，是普通钢结构成本的23倍，尤其开模费用更高，适用于多处相同对称的结构造型，一次开模可以倾斜圆管柱与钢梁错位转换节点深化及制作技术Deepening and Fabrication Technology of Misalignment Transfer JointBetween Inclined Round Pipe String and Steel Beam胡锦伟1，2，苏铠1，2，王加林1，2，李军1，2，孙友林1，2(1.中国建筑第二工程局有限公司华南分公司，广东 深圳 518045；2.中建二局阳光智造有限公司，广东 河源 517373）HU Jin-wei1，2,SU Kai1，2,WANG Jia-lin1，2,LI Jun1，2,SUN You-lin1，2(1.South China Branch of China Construction Second Engineering Bureau Co.Ltd.,Shenzhen 518045,China;2.China State Construction Second Engineering Bureau Sunshine Intelligent Manufacturing Co.Ltd.,Heyuan 517373,China)【摘要】介绍了一种倾斜角度较大的圆管柱与矩形钢梁错位转换连接的节点深化设计及加工制作的关键技术，从安全、经济、可行等方面综合比较，推出一种通用节点做法，有效解决了结构体系复杂场馆工程中采用铸钢节点不适用性的难题，缩短了工期，降低了成本。通过有限元软件模拟复杂节点受力，确保了节点设计的结构可靠性，通过 BIM 技术确保了节点施工的适应性。【Abstract】This paper introduces the key technology of manufacturing and deepening design of a joint connecting a inclined pipe withlarge angle string with a rectangular steel beam.From the aspects of safety,economy,feasibility and so on,a general joint method is putforward,which effectively solves the problem of inapplicability of casting steel joints in complex stadium projects,shorters the constructionperiod and reduces the cost.The finite element software is used to simulate the force of complex nodes to ensure the structural reliability ofnode design,and the BIM technology is used to ensure the adaptability of node construction,which provides a reference method for thedeepening and production of similar projects in the future.【关键词】倾斜圆管柱；错位转换；有限元分析【Keywords】inclined round pipe string;dislocation conversion;finite element analysis【中图分类号】TU758.11【文献标志码】A【文章编号】1007-9467（2023）04-0027-03【DOI】10.13616/ki.gcjsysj.2023.04.008【作者简介】胡锦伟（1989），男，湖北黄冈人，工程师，从事工程技术研究。27Construction&DesignForProject工程建设与设计批量生产，达到降低成本的效果。但对于结构体系复杂工程，每个节点各异，无法进行批量生产，反而导致成本过高。且铸钢件制作周期长，环境污染大，自身易产生缺陷，对现场焊接工艺条件的要求比较苛刻。本项目建设周期紧，采用铸钢节点无法满足工期和成本、环保等要求，急需寻找一种新的替代工艺2。4深化及制作技术4.1总体设计思路本项目结构设计主要采用建筑表皮模型进行造型设计，建筑类似一个飞船造型，水平向与竖向均为拟合曲性，结构设计过程受力构件均采用以曲代直，柱及梁为满足各自的形状需求，形成4个角度的构件相交于一点，而圆管柱（800 mm40 mm/900 mm40 mm）角度较大（最大倾斜角53），箱形梁截面梁高较高，均在（1 0001 500 mm）400 mm之间，钢柱与钢梁难以交汇，无法形成一个完整构件节点。通过空间几何模型进行比对研究（见表1），对于2个面无法相交的情况，提出2种解决途径。表 1两种方案及铸钢方式优缺点比较方案结构受力建筑外观加工周期加工成本方案一满足不满足，由于楼层上下均为椎管，影响建筑使用功能较长 较高方案二待定，由于钢梁与钢柱连接通过中间圆环连接，非直接传力，受力性能需通过计算确定满足短低铸钢件满足满足长高1）方案一：圆管柱直径从节点区域以下需从800 mm变径到1 5002 000 mm再在节点区域以上变径回原尺寸，类似于保龄球形状，保证在节点区域钢柱与钢梁截面完全相交（见图1）。2）方案二：圆管柱与钢梁之间增加一个直径为1 5002 000 mm的圆环，圆环高度与最大梁腹板高度等高，通过外圆满足钢柱与钢梁万向转接（见图2）。根据上述比较可知，方案一与铸钢对比，加工周期及加工成本均有降低，结构受力也满足但是无法满足建筑功能，无法采用；方案二与铸钢对比，加工周期及加工成本均有较大幅度的降低，建筑功能也能满足但是非直接传力，是否满足需进行计算确定3。4.2节点深化工艺4.2.1节点深化设计思路节点连接设计应符合以下原则：（1）内力传递简洁明确，安全可靠；（2）确保连接节点具有足够的强度和刚度；（3）节点加工简单、施工安装方便；（4）应该是经济合理的。在满足这几点原则的情况下提出节点设计方案，并经过原设计确认后正式进行深化。4.2.2节点工艺流程图倾斜圆管柱与钢梁错位转换节点深化工艺流程如下：根据设计图进行杆件建模按假定对节点初步深化分析归纳节点初步设计大样对节点所在区域整体有限元建模有限元软件对节点进行计算通过计算确定节点大样整理节点设计资料、提交设计院复核设计院出最终节点设计大样图根据设计图纸进行节点深化设计院复核深化模型及加工图纸。4.2.3节点深化操作要点1）根据设计图采用Tekla Structures建立整体模型，再对单个构件节点模型进行分析。2）根据方案二，进行节点初步深化（见表2）。（1）对钢柱进行深化时发现，圆管对接焊缝与钢梁对接焊缝重合，因避免结构应力在此区域集中，按照常规做法，下节柱向楼板上延伸200 mm，再与上节柱相接。（2）根据上述方案二，对单个构件节点进场拆分，分为斜圆管柱、外圆环及牛腿（见图3）。3）根据深化的节点模型，归纳节点做法初步节点设计大样。4）按照设计图纸，采用Midas Gen对结构整体建模。图 1方案一（单位：mm）图 2方案二（单位：mm）28Architectural and Structural Design建筑与结构设计5）在Midas Gen模型中，找到需要计算节点，将杆系模型转为实体模型导入Midas FEA。6）在Midas FEA中按照初步节点大样图处理节点；再通过Midas FEA完善的节点再次导入Midas Gen原模型，将节点周边的杆单元与实体单元耦合连接。7）根据原设计参数及荷载组合进行整体结构计算，输出节点应力计算结果；此部分钢材采用Q355B，可知最大应力138 N/mm2290 N/mm2，满足设计要求（见图4）。a计算模型图b应力计算结果图 4计算模型图8）根据计算结果，进行节点优化，得出最终节点做法，提交设计院审核，并增补在设计节点大样图中。9）根据最终确认的节点形式建立包含这些节点的钢结构分段实体三维模型，为使后续的深化图纸准确完善，把节点所有相关信息均反映到实体模型中。10）模型复核无误后，输出构件图纸深化，设计签字确认。4.3节点制作工艺4.3.1节点制作总体思路对节点进行分析解剖，制作方案的形成遵循原则：把整体复杂的结构和构件分组分块，把原本要在空间上做的事情转换到平面上做。从控制零件的精度及质量到控制单组件的精度及质量再到把握住整体的质量4。4.3.2节点制作操作要点构件组装焊接要点：斜圆管柱（非圆管混凝土柱）的梁柱节点当中，外、内圆管之间的竖向劲板与内圆管外壁及外圆管内壁焊缝原为全熔透焊缝，内、外管径之间非平行关系，间隙过小，间隙狭窄处不到150 mm，外圆深度达1.21.4 m，人员无法进入操作，竖向隔板为部分熔透二级焊缝。4.4现场安装效果本节点构造及成型方法，实际运用过程中，施工便捷，适用于建筑外立面为异形曲面的工况，尤其是建筑外立面由上至下逐渐向内或向外收缩的场景，实现了圆管柱与箱型梁的可靠连接。5结语深圳科技馆（新馆）倾斜圆管柱与钢梁错位转换节点深化及制作技术的成功应用，为后续可在同类项目复杂节点施工中推广提供了一种安全、可靠、经济的施工方法，并具有以下特点。1）本技术具有降低了制作成本低及难度等优点，在制作过程不用，在需要提前到铸件厂进行节点铸造，铸造完再运至加工厂进行二次组装焊接，节约了能耗，符合国家绿色施工要求，降低了成本和工期，降低了对制作厂的要求，于质量、安全和工期等均有利。2）实施过程中采用MIDAS软件的节点有限元计算功能，进行反向节点设计，达到设计深化加工协调一致，更有利于推动钢构单位技术革新。3）本技术推出一种倾斜角度较大的圆管柱与钢梁通用节点做法。【参考文献】1中华人民共和国住房和城乡建设部.钢结构设计规范:GB 500172017S.北京:中国建筑工业出版社,2017.2蒋玉川.MIDAS在结构计算中的应用M.北京:化学工业出版社,2012.3中华人民共和国建设部.钢结构工程施工质量验收标准：GB 502052020S.北京:中国计划出版社,2020.4中 华 人 民 共 和 国 住 房 和 城 乡 建 设 部.钢