鼓形节点在矩形管网壳结构设计中的应用

范军 付敏龙

摘要：介绍了鼓形节点在湖南富兴世界金融中心一期工程屋顶游泳池网壳结构中的应用；简述了矩形管网壳常用的节点形式；采用midas gen对鼓形节点进行有限元分析；计算节点刚度。

关键词：矩形管网壳 鼓形节点 midas gen 节点刚度 有限元分析

节点连接在网壳结构中起着至关重要的作用，关系着整个网壳结构的使用安全。随着社会的发展，建筑对大空间和建筑造型的要求越来越高，大跨度网壳结构越来越多的被使用。火车站、展览厅、体育场、游泳池等等，网壳结构随处可见。鉴于此类单层网壳结构大多较扁平，构件同时受到弯矩、剪力和轴力的共同作用，并往往弯矩起主要作用，构件常采用矩形管。由于矩形管具有两个主轴，不像圆管关于中心对称，在异形网壳结构节点处常存在一定扭转角。为有效传递弯矩、剪力和轴力，节点连接设计更加复杂。

网壳计算中节点假定为刚性节点。节点的刚度大小是否符合刚性节点假定直接影响计算的准确性和合理性。通过分析绘制鼓形节点两端构件上翼缘中心的弯矩转角位移曲线，进而对鼓形节点进行节点刚度计算，考察鼓形节点的节点刚度。

1.矩形管网壳常用节点形式

1.1 矩形管相贯节点

图一.矩形管相贯节点1

矩形管相贯节点传力直接，构造简单。常用在柱面网壳，双子午线球面网壳等构件之间没有相互扭转，节点处相连构件较少的网壳当中。当构件存在一定扭转角时，需要增加连接板或设置扭转过渡区。缺点是：当节点处存在多根管时，节点连接复杂；在异形网壳中，几乎每处节点均不相同，加工和安装均存在较大困难。

图二.矩形管相贯节点2 图三.矩形管相贯节点3

1.2 矩形管焊接球节点

矩形管焊接球节点节点形式简单，节点种类少，适用于节点处多管连接，易于加工和施工管理。安装过程中找节点形心存在一定困难。节点传递弯矩作用不直接，节点抗弯性能需要专门研究。适合使用在弯矩作用相对较小的网壳结构当中。

1.3 矩形管鼓形节点

矩形管鼓形节点构造简单，节点种类少，适用于节点处多管连接，易于加工和安装。能适应构件存在一定扭转角，传递弯矩作用直接，受力性能好，节点刚度较大。

图四.矩形管焊接球节点 图五. 矩形管鼓形节点

2.工程介绍

该工程为湖南富兴世界金融中心一期工程屋顶游泳池顶棚。其周边柱为矩形管，中间柱为圆管树形结构，柱脚标高为36.7m。屋顶为矩形管单层网壳结构，网格间距为4mx4m，屋面曲面为不规则曲面。建筑平面宽度方向最大约为55m，长度方向大约为120m，结构高度约15m。屋面围护结构为ETFE充气膜结构。结构采用midas gen 做整体计算分析，并按第一振型模态考虑跨度1/300的初始缺陷做二阶几何非线性分析验算。基本风压和基本雪压均按100年基准期取值；屋面风荷载体型系数参考荷载规范取值，屋面风振系数取经验值1.5。屋面围护结构为充气膜，忽略其张拉力。

图六.轴测图

图七.屋面平面布置图

由于网壳曲面不规则，构件在节点处存在一定扭转角。同时考虑加工和安装的便利性，屋面网壳的节点形式选为鼓形节点。

3.计算模型

采用midas gen 建立有限元模型进行非线性分析。在节点分析时忽略焊缝影响，不计残余应力。节点采用板单元。节点材料采用Q345.计算模型如图八.所示，其中一端为固定端，其他三端为自由端，取整体计算模型中最不利荷载组合内力加载。节点中矩形管壁厚度为8mm，节点其他板厚为16mm.矩形管尺寸为400x200mm。

图八.计算模型

4.有限元分析

节点在设计荷载作用下的应力云图见图九.。根据节点的组合应力云图可知：节点处矩形管应力接近屈服强度。鼓形节点的局部最大应力值为174N/，平均应力约为100 N/鼓形节点中的加劲肋应力较小。的安全储备，且并无明显的应力集中，能很好的满足结构承载力的要求。

图九.应力云图

5.总结

根据以上分析，可得出以下结论：

（1）鼓形节点是一种适用于矩形管复杂单层网壳结构的节点形式，它具有加工、安裝简便，实用性强的优点。

（2）鼓形节点能很好的传递弯矩和轴力，并且没有明显的应力集中，具有很好的承载能力。

（3）鼓形节点具有较好的节点刚度。

参考文献：

1 施刚.袁锋.霍达.石永久.王元清.钢结构框架节点转角理论模型和测 量技术方法.工程力学.2012.29（2）：52-59

2 熊俊.石永久.王元清.空间网壳结构焊接相贯节点性能分析.空间结构.2011.17

（2）：72-75

3 prEN1993-1-8：2002， Eurocode 3 Design of steel structures Part 1.8 ：Design joints.

作者简介：

范军：1986.12，学历：大学本科，单位：深圳华诺建筑规划设计院有限公司， 从事建筑结构设计。

付敏龙：1986.12，学历：大学硕士，单位：深圳华诺建筑规划设计院有限公司， 从事建筑结构设计。