異形曲面單層網(wǎng)殼系 統(tǒng)采光頂匯交點(diǎn)設(shè)計(jì)

    采光頂是屋蓋，是由屋面板與支承體組成的與水平面夾角小于75°的圍護(hù)和裝飾性結(jié)構(gòu)的總稱(chēng)。采光頂結(jié)構(gòu)形式有隱框、明框、點(diǎn)式，框架材料有鋼框、鋁框，外形有平面、異形曲面。其中，異形網(wǎng)殼系統(tǒng)是采光頂中比較復(fù)雜，甚至堪稱(chēng)頂尖技術(shù)的一種形式。

    整個(gè)異形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可分成兩大部分，即匯交點(diǎn)（網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)與玻璃的交點(diǎn)）部分及小型箱式梁部分。其中，最關(guān)鍵的部分是桿件匯交點(diǎn)部分，在系統(tǒng)中起轉(zhuǎn)向、連接、承載等決定性作用，需兼容解決空間桿件從不同方向向節(jié)點(diǎn)中心連接所造成的設(shè)計(jì)、加工、安裝上的困難。因此，世界頂尖的專(zhuān)業(yè)公司均將匯交點(diǎn)單獨(dú)取出，進(jìn)行數(shù)控加工（用數(shù)控機(jī)床工廠(chǎng)化生產(chǎn)），既滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)構(gòu)造要求，實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)，也簡(jiǎn)化了加工制作過(guò)程和安裝工藝，為異形網(wǎng)殼系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)推廣奠定了基礎(chǔ)。

    米蘭Mero系統(tǒng)由兩個(gè)圓環(huán)作為所有桿件的匯交點(diǎn)，圓環(huán)上銑有不同角度的切面，并同桿件相配合，滿(mǎn)足桿件在空中轉(zhuǎn)動(dòng)定位的要求。之所以用兩個(gè)圓環(huán)而不是用一個(gè)，是因?yàn)橥�一矩形管的截面高度因空中匯交的角度不同，對(duì)應(yīng)匯交的中心點(diǎn)接觸面高度也是變化的（圖1）。

    英國(guó)Seele系統(tǒng)是以Seele英國(guó)Montagebilder博物館項(xiàng)目為代表的系統(tǒng)。其匯交點(diǎn)的形態(tài)，是按空中桿件沿所在曲面的法線(xiàn)平面匯交于一點(diǎn)時(shí)的形態(tài)復(fù)制而成的（圖2）。

    德國(guó)Gatner系統(tǒng)是通過(guò)板或其他部件同桿件相連，這類(lèi)節(jié)點(diǎn)在工程上的應(yīng)用較富有代表性，如德國(guó)Gatner項(xiàng)目上采用的節(jié)點(diǎn)（圖3）。

    冬季花園工程長(zhǎng)約150m，跨度約75m，結(jié)構(gòu)形式為空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)難度很大，施工進(jìn)度壓力也大（圖4）。

    本冬季花園工程采用類(lèi)似英國(guó)Seele系統(tǒng)（Montagebilder博物館項(xiàng)目），即通過(guò)鋼匯交節(jié)點(diǎn)與矩形桿件相連組成網(wǎng)殼曲面系統(tǒng)。本系統(tǒng)有一個(gè)中心匯交節(jié)點(diǎn)（帶有若干不同角度的與桿件同截面的牛腿，并經(jīng)加工形成精密配合面），和若干根與它連接的矩形桿件（桿件長(zhǎng)度精確加工，并帶有精加工過(guò)的配合面）組成基本單元。之所以曲面網(wǎng)殼系統(tǒng)最終采用鋼匯交節(jié)點(diǎn)與矩形桿件相連組成的連接方式，是為了現(xiàn)場(chǎng)安裝能夠順利進(jìn)行。現(xiàn)將工程某一匯交處分解為六根空間的桿件和一個(gè)匯交節(jié)點(diǎn)加以說(shuō)明，見(jiàn)圖5。

    本工程中采光頂網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)形態(tài)，是由設(shè)計(jì)單位提供的數(shù)學(xué)模型決定的。數(shù)學(xué)模型為單線(xiàn)，而網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的厚度為300mm和400mm，數(shù)學(xué)線(xiàn)條模型與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的關(guān)系，與接點(diǎn)桿件的制作角度、尺寸密切相關(guān)，對(duì)能否保證采光頂玻璃面層正常匯交更具有決定性作用。

    首先，將桿件上下翼緣的中心線(xiàn)定在上翼緣兩塊玻璃角平分線(xiàn)所在的平面上。數(shù)學(xué)理論線(xiàn)條模型與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)之間的關(guān)系有以下3種情況：數(shù)學(xué)理論模型置于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)（即桿件截面中心）1/2厚度處，或與鋼桿上翼緣表面中線(xiàn)重合，或置于玻璃上表面交縫處。

    現(xiàn)以桿件截面高度均為300mm的匯交節(jié)點(diǎn)加以說(shuō)明。由于玻璃面層離開(kāi)桿件上翼緣表面僅40mm左右，而桿件和節(jié)點(diǎn)厚度卻達(dá)到300mm，如以桿件上翼緣中心線(xiàn)匯交于一點(diǎn)，并與數(shù)學(xué)理論模型重合（圖6中匯交點(diǎn)），既能保證施工中加工定位方便，又對(duì)采光頂玻璃面層玻璃交縫的正常匯交影響不大（圖6）。

    如圖6所示，玻璃交縫為正常匯交。因此，本工程在結(jié)構(gòu)上采用了理論線(xiàn)條模型同桿件上翼緣中心線(xiàn)重合匯交的方法，進(jìn)行采光頂網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)定位。

    本節(jié)點(diǎn)有6根不同高度的牛腿，所有牛腿都具有不同的分度角、仰角和扭轉(zhuǎn)角。牛腿的端面必須具有較高的加工精度，使其可同桿件端面頂緊，形成一個(gè)整體網(wǎng)殼。節(jié)點(diǎn)的三維模型，見(jiàn)圖7。

    從圖7的內(nèi)部構(gòu)造可見(jiàn)，該節(jié)點(diǎn)中心部有鋼管加強(qiáng)，防止塌陷。300mm高牛腿的下翼緣，其中有兩條斜搭到450mm高牛腿的下翼緣，形成可靠的力傳遞過(guò)橋，并且斜板同腹板電焊連接，也起到了加強(qiáng)肋的作用。

    結(jié)構(gòu)中若存在比較復(fù)雜的連接節(jié)點(diǎn)時(shí)，除了構(gòu)造和手工驗(yàn)算要符合要求外，還應(yīng)采用程序來(lái)驗(yàn)算，考察節(jié)點(diǎn)處于三向應(yīng)力狀態(tài)下的承載能力。本文中對(duì)節(jié)點(diǎn)采用有限元分析（ANSYS分析）。

    1）計(jì)算模型

    根據(jù)方案圖中的要求，建立節(jié)點(diǎn)有限元實(shí)體模型。

    2）邊界及約束

    由于節(jié)點(diǎn)直接與結(jié)構(gòu)構(gòu)件相連，截取后很難確定其約束情況。最準(zhǔn)確的做法是：截取的節(jié)點(diǎn)屬于結(jié)構(gòu)整體的一部分，其約束均為彈性約束（除與支座連接外），其約束剛度應(yīng)由整體剛度通過(guò)自由度凝聚來(lái)獲得，但這樣做難度較大。因此，本工程只能根據(jù)節(jié)點(diǎn)的受力特點(diǎn)，取部分截面為約束，其他截面則被視為加載面，按計(jì)算出的內(nèi)力施加荷載，以保證節(jié)點(diǎn)受力變形特點(diǎn)與原結(jié)構(gòu)基本相同。工程所取得荷載，取的是桿件在最不利工況作用下的內(nèi)力。

    3）材質(zhì)

    所有節(jié)點(diǎn)材料，均為Q345低合金鋼。

    4）求解方法

    考慮到材料的非線(xiàn)性，在求解時(shí)采用分步增量求解的方法。增量步可以保證程序能夠記錄各點(diǎn)的塑性應(yīng)變，從而判斷材料是處于彈性狀態(tài)還是處于塑性狀態(tài)，并由當(dāng)前的應(yīng)力增量來(lái)判斷加卸載，從而算出各個(gè)迭代步的位移及應(yīng)力情況。

    在A(yíng)NSYS分析過(guò)程中，假定加載總時(shí)間為T(mén)n，該時(shí)間實(shí)際反映了整個(gè)加載的荷載水平。每個(gè)荷載分步，均采用比例加載，從而追蹤節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力及位移的情況。在A(yíng)NSYS分析給出的應(yīng)力圖與位移圖中，所顯示的時(shí)間為廣義時(shí)間，其值除以總時(shí)間Tn表示為荷載因子。

    5）計(jì)算結(jié)果

    最終的匯交節(jié)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果，主要的考慮是應(yīng)力情況、主應(yīng)力及等效應(yīng)力。其中因?yàn)橹鲬?yīng)力有符號(hào)的不同，因此第一主應(yīng)力與第三主應(yīng)力分別代表了應(yīng)力代數(shù)值的最大值與最小值；等效應(yīng)力則反映了節(jié)點(diǎn)總體的應(yīng)力水平。圖中單位為N/mm2。計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)圖8。

    匯交節(jié)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)室模型及其在工程現(xiàn)場(chǎng)安裝狀況，分別見(jiàn)圖9及圖10。

    從上面對(duì)異型曲面單層網(wǎng)殼系統(tǒng)采光頂匯交節(jié)點(diǎn)的分析可知，本文設(shè)計(jì)的匯交節(jié)點(diǎn)在最不利荷載工況作用下，其強(qiáng)度仍然在彈性范圍內(nèi)，變形很小，剛度滿(mǎn)足要求。因此，可以認(rèn)為這種匯交節(jié)點(diǎn)的連接設(shè)計(jì)，可以使其滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)和實(shí)際使用的要求，桿件之間連接為剛性連接，匯交節(jié)點(diǎn)的剛度未發(fā)生退化。