国家体育场焊接方管桁架双弦杆KK节点设计研究

1、国家体育场焊接方管桁架双弦杆KK节点设计研究 第28卷第2期2007年4月 文章编号:100026869(2007)0220041208 建筑结构学报JournalofBuildingStructures Vol128,No12April2007 范重1,彭翼1,李鸣1,胡天兵1,赵莉华1,陈以一2,赵宪忠2 (1.中国建筑设计研究院,北京100044;2.同济大学,上海200092) 摘要:结合国家体育场大跨度钢结构设计,KK,可用于各 种复杂角度的腹杆汇交、弦杆呈折线形、,的角度,改善其构造的合理性。综合采用调整板厚、,的设计理念。双弦杆KK节点的缩尺模型试验表明,。关键词:国家体育场;节

2、点;1:A researchofdouble2chordKK2connectionsofweldedthin2wall box2sectiontrussoftheNationalStadium FANZhong1,PENGYi1,LIMing1,HUTianbing1,ZHAOLihua1,CHENYiyi2,ZHAOXianzhong2 (1.ChinaArchitectureDesignandResearchGroup,Beijing100044,China;2.TongjiUniversity,Shanghai200092,China)Abstract:Basedonthedesigno

3、fthelarge2spanroofstructureoftheNationalStadium,thegeometricconfigurationofdouble2chordKK2connectionsofthelarge2sizeweldedthin2wallbox2sectionsisproposedinthispaper.Thismethodcanbewidelyappliedtocomplexsituationswherethediagonalswithvariousanglesmeet,chordsarestraightlinebetweenadjacentconnectionsor

4、thewallsofchordsarenotperpendiculartothatofdiagonals,etc.Theanglesbetweenplatesoftheconnectionsareadjustedtomaketheforcetransfermorereasonable.Thebearingcapacityoftheconnectionsisimprovedbyadjustingplatethicknessandarrangingstiffeners.Asaresult,thedesignprincileof“strongconnections”canberealized.Ina

5、ddition,thescaled2modeltestisconductedtovalidatethereliabilityoftheconnections.Theresultsshowthatthestressdistributionofthespecimenisconsistentwiththatofthefiniteelementanalysis,andtheestimationofthebearingcapacityfortheKK2connectionsisonthesafeside. Keywords:NationalStadium;weldedbox2sections;doubl

6、e2chordKK2connections;geometricconfiguration;finiteelementanalysis 0引言 国家体育场屋盖结构的几何构型非常复杂,屋盖跨度很大,建筑造型与结构体系高度一致,主要采用由钢板焊接而成的箱形构件。主桁架围绕屋盖中部的洞 基金项目:国家科技攻关计划课题(2004BA904B01),北京市科 技计划课题(H050630210720)。 ),男,北京市人,工学博士,教授级高作者简介:范重(1959 级工程师。 收稿日期:2006年11月 口放射形布置,有22榀主桁架直通或接近直通。为了避免节点过于复杂,4榀主桁架在内环附近截断。主桁架的弦杆

7、为分段折线,弦杆截面的角度随着屋盖曲面不断变化,腹杆侧壁与弦杆翼缘内表面不再保持垂直。在相邻主桁架的交汇点,两个方向主桁架的K形节点相交形成了双弦杆KK节点122。 为了满足建筑造型要求,构件的外形尺寸受到较大限制,为了有效地控制用钢量,在焊接箱形截面构件设计时尽量采用较小的壁厚。在设计中遵循“简单构件、复杂节点”的理念,尽量避免直接采用曲线构件,将节点之间的杆件简化为直线构件或者分段直线构件,在节点域通过过渡段实现与直线构件的连接,大大降 41 ? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights

8、 reserved. 低加工难度,有效减少加工成本。 在方管桁架设计中,当腹杆与弦杆相贯焊接时,节点的承载力一般低于杆件的承载力,材料的利用率较低,适用于不直接承受动力荷载的桁架结构326。在国家体育场焊接方管桁架节点设计中,遵循“强节点”的原则,保证节点不先于构件发生破坏,从而提高构件钢材的有效利用率。通过设置内部加劲肋的方式,保证节点传力直接,具有足够的强度与刚度,各部位受力均匀,避免局部出现明显的应力集中。同时,节点形式对于杆件外形尺寸、壁厚、弦杆倾角、弦杆之间夹角、 杂,对其受力性能需要进行专门的计算分析与试验研究728。在国家体育场屋盖结构设计中,合理解决大尺寸双弦杆KK节点的设计问

9、题,是保证结构安全性、提高材料利用率、有效减小用钢量的关键问题之一。 双向桁架的腹杆在节点处相交,形成菱形交汇区。 沿菱形区域的对角线方向设置X形连接板,如图2所示。 (2)腹杆接口水平投影位置由于腹杆的倾角不同,各腹杆与X形连接板交线的位置差别较大。为了避免倾角不同的腹杆引起X形连接板局部受剪,需要通过对腹杆位置进行调整,保X。,Li(i=1、2、3、4),Li一般不小于50mm,并可根据工程实际情况适当调整,如图2所示。此时,各腹杆接口线水平投影与节点形心的距离均为L。 1双弦杆KK节点构型设计 111双弦杆KK节点几何构型 对于交叉平面桁架形成的空间结构,在桁架的交叉节点处将不可避免地出

10、现多个腹杆相交的情况,在设计中必须解决多个腹杆复杂相贯焊接问题。经过对十多个方案进行反复分析、比较,最终确定了在双弦杆KK节点设置X形竖向连接板,4根斜腹杆均通过X形连接板与交叉弦杆相连。 本文提出的双弦杆KK节点形式如图1所示。双弦杆KK节点由腹杆加强区、弦杆加强区和扭转过渡区三部分组成。 图2腹杆接口线水平投影定位图 Fig12Locationforhorizontalprojectionofinterfaceline ofdiagonal (3)腹杆接口高度调整 假定在节点处腹杆与相应弦杆的夹角分别为1、 2、3、4,腹杆接口线与各腹杆上翼缘交点的高度分别为H1、H2、H3、H4,如图3

11、a所示。调整后的腹杆接口线平均高度H按式(1)确定 (H1+H2+H3+H4)(1)H=4 调整后的腹杆接口线平均高度一般应满足HH(H为弦杆截面高度)的条件,保证腹杆节点区的尺寸不致过大。通过对腹杆偏心距进行调整,使各腹杆上翼缘与腹杆接口线平均高度位置重合,从而可使所有腹杆上翼缘与X形连接板相交的最高点位于同一平面,如图3b所示。 (4)腹杆加强区上翼缘 将各腹杆上翼缘从接口线位置向X形连接板以 图1双弦杆KK节点示意图Fig11 Sketchfordouble2chordKK2connections 112腹杆加强区 (1)X形连接板42 ? 1994-2010 China Academi

12、c Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. (a) 腹杆的初始位置 () (b)腹杆调整后的位置 图3腹杆接口线与腹杆调整方法示意Fig13Adjustingmethodforinterfacelineofthediagonals andthediagonals (b)腹杆翼缘调整后 倾角min(min为各腹杆与弦杆夹角的最小值,min=min(1,2, 3,4)延伸与X形连接板相交。相邻腹杆与X形连接板两侧的交线相重合,且4条交线的倾角相同,最终交汇于节点形心的位置,如图4所示。 (5)腹杆加强区下翼缘 当腹杆与弦杆

13、夹角较小时,对于腹杆根部的受力与焊接操作均很不利。此时,可以将腹杆加强区下翼缘板件向外拉伸,使调整后腹杆下翼缘与弦杆上翼缘的夹角不小于60°,增大腹杆端部与弦杆接触的面积,同时控制腹杆下翼缘与弦杆上翼缘的最小交线长度L1bL4b均不小于腹杆截面高度,如图4所示。 (6)腹杆延伸加强区 图4加强区腹杆上、下翼缘的调整方法Fig14Methodforadjustingupperandlowerflangesof diagonalsoftheenhancedzone 当腹杆与弦杆的夹角较大时,腹杆加强区上翼缘调整后的弯折角度较大,容易出现应力集中现象。此外,腹杆与加强区板件厚度不同,存在刚

14、度变化与局部偏心的影响。因此,将腹杆加强区适当向杆件进行延伸,腹杆延伸加强区的范围需要综合考虑力的传递和焊缝间距等因素,一般不小于015倍腹杆截面高度。113 弦杆加强区 (1)贯通腹板的方向 当汇交于节点弦杆的腹板厚度不同时,将厚度较大的腹板作为贯通板件;当汇交于节点弦杆的腹板厚度相同时,将相应于腹杆壁厚较大方向弦杆的腹板作为贯通板件。 (2)弦杆加强区范围 在确定弦杆加强区大小时主要需要考虑弦杆接长焊接操作空间,此时应保证相邻弦杆接头之间的最小距离不小于500mm,同时还要控制与腹杆下翼缘焊缝的距离,如图5所示。弦杆加强区由顶板(弦杆与腹杆相连一侧的翼缘)、底板、侧壁与加劲肋四部分组成。

15、(3)腹杆与弦杆交线在国家体育场设计中,主桁架腹杆所在的平面保持与地面垂直,而弦杆截面的角度根据屋盖曲面的形状沿轴线不断偏转。因此,腹杆下翼缘与弦杆顶板的交线与弦杆轴线不再垂直,如图5所示。 (4)弦杆加强区加劲肋 43 ? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 上、下翼缘与屋盖理想曲面在节点处的切平面保持平行。在节点加强区端部设置过渡区,通过对板件进行几何调整,实现弦杆与节点的对接。由于箱形构件壁厚较薄,容易出现局部屈曲,此外,还存在厚、薄板对接,容易出现局部偏心效

16、应,故在扭转过渡区与弦杆连接位置设置环形构造加劲肋,如图7a所示。 在扭转过渡区板件成型过程中,为了避免板件产生侧向弯曲,如图7b所示图51,度外,在与X了加劲肋,如图6a所示。为了尽量减小节点域用钢量,保证节点区焊接操作空间与焊缝质量,腹杆下翼缘对应的位置采用环形肋,如图6b所示。环形加劲肋各边的高度可根据其重要性有所不同,一般应满足hs1hs2hs3的要求。此外,为了增强弦杆加强区顶板的刚度,在弦杆加强区顶板与腹杆侧壁相应的位置局部设置两道纵向加劲肋,提高顶板的局部抗弯能力。当纵向加劲肋与弦杆侧壁的距离d1很近时,该纵肋可以取消。 (b)扭转过渡区钢板成型方法示意图 (a)扭转过渡区位置

17、图7弦杆与节点之间的扭转过渡区Fig17Transitional twistedzonebetweenchords andconnections 2双弦杆KK节点有限元分析 (a)弦杆加强区俯视图 (b )弦杆加强区剖面图 211有限元分析要点 图6 弦杆加强区加劲肋 Fig16Stiffenersinenhancedzoneofchords 114扭转过渡区 国家体育场主桁架弦杆在理论上均应为扭曲箱形 构件,弦杆截面沿着屋盖表面不断弯曲、扭转,腹杆侧壁与弦杆翼缘不再保持垂直。为了有效降低钢结构加工的难度,采取了“简单构件、复杂节点”的设计理念,将曲线桁架简化为分段折线型桁架,主桁架节点域的4

18、4 采用大型三维图形处理软件CATIA建立双弦杆KK节点几何模型,运用通用有限元分析软件ANSYS910进行计算分析。计算采用Shell181单元。该单元为4结点单元,每个结点6个自由度,适用薄壳、中厚壳非线性分析。为了保证计算结果的精度,单元网格不能过于稀疏,单元数量一般在4万左右。 材料弹性模量E为2106×105N/mm2,强化模量为2106×103N/mm2,泊松比013。屈服强度fy参考规范 ? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 和相

19、关材性试验选取。为了反映加工误差的影响,采用计算模型第一阶失稳模态模拟初始缺陷,取板件的最大初始侧向弯曲变形值为构件截面宽度的1/300。节点计算时不考虑焊接残余应力的影响。 在计算模型杆端设置刚域,将其中一根弦杆的端部作为固接端,其他杆件端部刚域的形心施加集中荷载。从屋盖结构整体计算模型中得到各种工况组合下的设计内力值,通过线性插值方法得出节点计算模型加载端的内力值。 设计时采用Mises强度准则,性和材料非线性影响。应力可以用下式表达s=2 节点区顶板厚度。 在腹杆与腹杆加强区转折处局部应力值较高,可以通过设置腹杆加强延伸区进行缓解。 (2)弦杆加强区弦杆加强区顶板与腹杆直接相连,加强区顶

20、板厚度应根据杆件拉压状态及应力水平来确定,但不得小于各弦杆翼缘厚度的较大值以及形连接板的厚度。,其厚度不。 X,其厚度可取腹杆112,但不得大于弦杆加强区顶板的。 与腹杆下翼缘相应的横向加劲肋应力值较高,其厚度一般可取与腹杆加强区厚度相同。节点域内纵向加劲肋受弯变形明显,应力值较高,其厚度可参考腹杆加强区厚度确定。 (3)扭转过渡区 节点扭转过渡区的受力情况总体上与相邻弦杆接近,仅其顶板受到腹杆加强区下翼缘的影响,局部弯曲应力较高,故此扭转过渡区顶板厚度同节点域顶板厚度。同时,扭转过渡区顶板厚度与侧板厚度不能相差过大,设计时控制顶板厚度不大于侧板厚度的112倍。扭转过渡区外缘横向环肋的板厚可按

21、构造要求确定。213主桁架下弦KK节点T10A/T13B 1-2 +2-2 +3-111f (2) 式中,第2和第3主应力,f为1、2和3分别为第1、 钢材的抗拉、抗压、抗弯强度设计值。对于出现局部超过强度设计值的情况,如果应力峰值范围很小,且应力峰值超过强度设计值不大,可以将分布范围较大的最大应力值作为判定依据。212有限元分析与板件厚度调整 本文在有限元分析的基础上,结合双弦杆KK节点的受力特点与构造要求,确定节点域各板件的厚度。由于在进行有限元分析时,很难充分考虑焊缝几何尺寸、焊接残余应力、材料塑性内力重分布等因素的影响,因此在确定节点域板件厚度时,遵循“最大平均应力”的控制原则,即控制

22、节点域板厚的“最大应力”是平均意义上的最大值,而不是范围极小的应力峰值。 (1)腹杆加强区 对于平面交叉桁架中的KK节点,一般存在两根受拉腹杆与两根受压腹杆。对于焊接薄壁箱形构件,由于受压腹杆需要考虑截面有效宽度和杆件长细比的影响,因此壁厚较大,应力值较低。受拉腹杆全截面有效,壁厚较小,应力较高。腹杆加强区根部应力值较高,其他部位应力值较低。腹杆加强区板件不小于各腹杆厚度的较大值,但不得大于节点区弦杆顶板厚度。 腹杆X形连接板,当相邻腹杆均为拉杆或压杆时,连接板应力值较大;当相邻腹杆为一拉一压时,连接板应力度较小。X形连接板厚度主要受构造控制,一般可为腹杆加强区板件厚度的115倍,但不得大于

23、以国家体育场主桁架下弦KK节点T10A/T13B为例,采用有限元法对双弦杆KK节点进行分析。节点T10A/T13B在整体计算模型的位置、节点计算模型如图8所示。 与下弦KK节点T10A/T13B相应的构件几何尺寸与节点域板件厚度分别如表1与表2所示。节点T10A/T13B在111×(1135恒+01 98活+0184风)+低温工况组合时弦杆加强区、腹杆加强区、横向加劲肋和纵向加劲肋Mises应力如图9所示。从图中可看出,靠近腹杆的中部应力分布均匀,在端部受到节点约束弯矩作用的影响较大。腹杆加强区应力变化较大,采取调整腹杆下翼缘角度、增加板厚等措施后,使最大应力值得到控制。在腹杆加强区

24、上翼缘的弯折处,出现局部的应力集中,由于在接口位置设置横向加劲肋,板件的刚度与承载力大大提高。弦杆加强区的应力分布均匀,应力值明显低于受力较大的弦杆。由于扭转过渡区板件的偏转角度很小,因此环形肋的应力值很小。 45 ? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. (a) 下弦节点的位置 (a) (b)计算模型单元网格划分(b)X形连接板与加劲肋 图8主桁架下弦KK节点T10A/T13B位置与分析模型Fig18PositionofT10A/T13BKK2connectiona

25、tbottom chordofprimarytrussandfiniteelementmodel表1下弦KK节点T10A/T13B杆件的几何尺寸Table1GeometricalsizeofelementsofT10A/T13B KK2connectionatbottomchords 构件位置 弦杆1弦杆2弦杆3弦杆4腹杆1腹杆2腹杆3腹杆4 H×B×tw× tf A/mm2 图9下弦KK节点T10A/T13B的Mises应力Fig19MisesstressdistributionofT10A/T13BKK2connection atbottomchords 21

26、4主桁架下弦KK节点T9A/T10B i 6918° 以国家体育场主桁架下弦KK节点T9A/T10B为例,采用有限元法对双弦杆KK节点进行分析。与下弦KK节点T9A/T10B相应的构件几何尺寸与节点域板件厚度分别如表3与表4所示。节点T9A/T10B在111×(1135恒+0198活+0184风)+低温工况组合时弦杆加强区、腹杆加强区、横向加劲肋和纵向加劲肋Mises应力如图10所示。从图中可以看出,节点T9A/T10B的应力分布规律与节点T10A/T13B类似,杆件中 800×800×20×20800×800×20

27、5;20800×800×20×20800×800×20×20600×600×10×10600×600×16×16600×600×10×10600×600×12×12 6240062400624006240023600373762360028224 6410°4318°5411°6417 ° 部的应力分布比较均匀,在靠近节点处受弯矩作用的 表2下弦KK节点T10A/T13B的板件

28、厚度(mm) Table2ThicknessofplatesinT10A/T13BKK2connection(mm) 弦杆1: 弦杆2:弦杆3:弦杆4: tw×tftw×tftw×tftw×tf 20×2020×2020×2020×20222016/2210×1016×1610×1012×1222 弦杆 过渡区: 过渡区:过渡区:过渡区: tw×tftw×tftw×tftw×tf 22×2220×2222×

29、2220×22201612 弦杆节点区 腹杆 节点区顶板 横向加劲肋顶板纵肋T10A/T13B腹杆1:tw×tf腹杆2:tw×tf腹杆3:tw×tf腹杆4:tw×tf腹杆X形连接板 节点区底板X形加劲肋过渡区纵肋腹杆加强区厚:tw腹杆加强区厚:tw腹杆加强区厚:tw腹杆加强区厚:tw 横向环肋横向环肋横向环肋横向环肋节点区侧板 1212121220 ×tf×tf×tf×tf 16×1616×1616×1616×16加劲肋 加劲肋加劲肋加劲肋 10161012 46

30、? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 表3下弦KK节点T9A/T10B杆件的几何尺寸Table3GeometricalsizeofelementsofT9A/T10B KK2connectionatbottomchords 构件位置 弦杆1弦杆2弦杆3弦杆4腹杆1腹杆2腹杆3腹杆4 H×B×tw×tf A/mm2 i54°63°48°62° 1000×1000×20×

31、;201000×1000×20×201000×1000×25×251000×1000×25×25600×600×12×12600×600×16×16600×600×12×12600×600×18×18 7840078400975009750028224373762822441904 (a)影响较大。,应力值较大,()时,连接板的应力值较高;当相邻腹杆为反向受力状态时,连接板的应力值较低。

32、弦杆上翼缘的纵向加劲肋与翼缘共同受力,对提高节点的刚度与承载力作用显著。 主桁架下弦KK节点T10A/T13B与T9A/T10B有限元计算结果表明,根据本文提出的双弦杆KK节点的几何构型方法与板件厚度确定原则,节点域板件受力比较均匀,节点域的总体应力水平低于所相连构件的应力值 ,可以满足强节点的设计原则。 (b)X形连接板与加劲肋 图10下弦KK节点T9A/T10B的Mises应力Fig110MisesstressdistributionofT9A/T10BKK2connection atbottomchords 似和受力状态相似等相似条件,以尽可能反映原型结构的性能。试验采用间接加载的方式,

33、将试验部位组合进一个便于控制加载的试验桁架结构中,通过对该系统的加载实现对节点部位的间接加载,试验桁架如图11所示。 试验过程中,当加载至114倍设计荷载时,节点域受压腹杆端部由一个测点首先进入屈服。当加载至214倍设计荷载时,受压腹杆延伸加强区测点达到屈 3试验研究 3 11主桁架下弦KK节点T10A/T13B 综合考虑试验室现有场地和加载设备吨位等条件,本次试验为缩尺模型试验,缩尺比例为14,材料为Q3452B钢材。试件设计时考虑了几何相似、材料相 服强度。 表4下弦KK节点T9A/T10B节点的板件厚度(mm) Table4ThicknessofplatesinT9A/T10BKK2co

34、nnection(mm) 弦杆1: 弦杆2:弦杆3:弦杆4: tw×tftw×tftw×tftw×tf 20×2020×2025×2525×2528181212×1216×1612×1218×1828 弦杆 过渡区: 过渡区:过渡区:过渡区: tw×tftw×tftw×tftw×tf 20×2820×2825×2825×28251818 弦杆节点区 腹杆 节点区顶板 横向加劲肋过渡区纵肋腹杆1:t

35、w×tf腹杆2:tw×tf腹杆3:tw×tf腹杆4:tw×tf腹杆X形连接板 节点区底板X形加劲肋节点区纵肋腹杆加强区厚:tw腹杆加强区厚:tw腹杆加强区厚:tw腹杆加强区厚:tw 横向环肋横向环肋横向环肋横向环肋节点区侧板 1212121225/20 ×tf×tf×tf ×tf 18×1818×1818×1818×18加劲肋 加劲肋加劲肋加劲肋 12161218 47 ? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved