大连国际会议中心复杂节点深化设计概诉Word格式.docx

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此类节点具有以下特点:

节点施工详图深度不够、为节点而优化结构体系、节点有限元分析工作量大、节点模型创建难且反复修改过程多、焊接工艺步骤多、加工难度大。

本篇第5和6部分对复杂节点的由来及实施细节进行详细介绍。

3.复杂节点位置分布

3.1核心筒复杂节点分布

总计92个复杂节点，主要集中在H2、H3、H4、H5、H6、H8、H13、H14。

如图3所示。

3.2平台边桁架复杂节点分布

总计139个复杂节点，主要集中在A3区（30个）、A4区（70个）、A5区（39个）；

平台B2区边桁架内环部分总计9个复杂节点；

平台C区边桁架部分10.03m以下总计3个复杂节点，如图4所示。

3.3会议厅复杂节点分布

总计13个，主要集中在4#（6个）、6#（1个）、7#会议厅（6个）。

图3H8区收边复杂节点柱群效果图

图4A3区收边复杂节点柱群效果图

4.复杂节点的主要问题

4.1复杂节点深化设计无施工图依据

随着深化设计区域的不断扩大，在边桁架、幕墙和核心筒等部分的复杂节点的构造做法在施工图上找不到节点详图（节点详图应明确节点连接板的材质、厚度、必要尺寸，节点焊缝要求，节点的构造做法等）来作为深化设计的依据，同时也无法保证监理监督，工程设计资料完整，结构设计安全可靠等提供必需的设计依据。

4.2复杂节点仅从构造设计考虑无法有效保证节点的安全

本工程造型独特，结构受力复杂，不同于一般民用建筑工程。

在结构受力状态未了解清楚的情况下，若仅从加工制作角度来构造设计复杂节点，不进行必要的节点计算分析，就不能有效保证节点的安全。

我司深化设计的构件加工详图是为车间服务的，由于无设计施工节点详图，故目前我司在进行复杂节点的深化设计过程中，只能先凭经验从加工制作角度对复杂节点进行3D实体建模构造设计，待模型经设计确认后，再做复杂节点加工详图。

4.3复杂节点按钢板焊接节点深化困难

复杂节点不同意采用铸钢件，而采用钢板焊接节点。

由于结构为空间异型桁架结构体系，桁架构件又为H型钢，且桁架构件空间汇交杆件多，深化设计和加工制作的空间定位难度大，节点的构造复杂，加工制作存在焊接操作空间小，装焊困难，焊接难度大、焊接变形大、无法施焊以及焊缝集中处材料力学性能改变等问题。

且也难于满足现场安装精度要求。

5.复杂节点阶段性分析

5.1桁架中的复杂节点的三个阶段

5.1.1第一阶段为铸钢节点设计阶段

根据初步具备深化设计的图纸，我司进行边缘桁架3D建模和节点构造设计。

经大连设计院设计人员确定，H型钢桁架杆件的放置方向应与计算程序里的杆件放置方向一致，均按腹板垂直地面放置。

同时我司依据最初设计原则，当复杂节点设计无法焊接时，可做铸钢节点，在2009年8月20日提出第一批铸钢节点位置和数量，经设计审核同意61处可采用铸钢节点。

我司于2009年9月9日将BCD区中的部分铸钢节点深化设计图提交设计审核，但设计于2009年9月10日提出桁架部位的铸钢件重量超出桁架承载范围，并于2009年9月20日召开铸钢件专题会议决定在桁架中不采用铸钢节点。

5.1.2第二阶段为初步焊接节点设计阶段

根据2009.9.20召开铸钢件专题会议决定的精神和大连设计院提出初步焊接节点原则：

1.简单节点通过调整杆件方向、做“异型”焊接H型钢处理；

2.较复杂节点采用主桁架弦杆两侧焊大节点板做成箱型，其余相交杆件均焊接在节点板上，按间距设内隔板，内隔板可不与相交杆件对应；

3.相交杆件较多的复杂节点采用球节点，相交杆件与球相贯焊接。

我司对ABCD区重新调整3D模型，并于2009年9月30日提交BCD区的复杂节点位置和数量，于2009年10月15日提交A区的复杂节点位置和数量，并将复杂节点划分为可焊接钢板节点、球节点、铸钢节点三类。

我司于2009年10月9日将A区构造设计好的典型可焊钢板节点3D模型送交设计审核。

5.1.3第三阶段为焊接节点设计阶段

2009年10月14日大建院、八局、东方、大船及东南对复杂节点进行了专题讨论，最终确定的设计原则,设计提出以下原则：

杆件可偏心、杆件可扭转、杆件方向可调整、杆件端部切角（小于50mm）、杆件后焊、截面可调整（H型钢变箱型、热轧变焊接、杆件可小变大、异型截面）、球节点（与球相连接杆件截面可端部高度和宽度变小，但截面面积不变）、铸钢节点等，设计对节点进行计算复核。

5.2按设计原则进行深化设计

将A3（29个复杂节点）、A4（70个复杂节点）及A5（39个复杂节点）区建好的实体模型节点分别于10月15日、10月23日、11月4日送交大建院审核确认。

在审核的过程中，大建院于2009年11月15日重新提出复杂节点的修改设计原则，导致了我司构造设计好的实体模型基本作废，都需重新建模。

修改的主要节点原则有：

斜杆不允许偏心，且全部接触面与弦杆直接焊接而应同时与直腹杆和弦杆都焊接（以前的原则为斜杆可直接偏心放在弦杆上焊接）、主桁架方向杆件翼缘不允许做圆弧过渡而应做折板（大建院一直以来的施工图节点均采用圆弧过渡做法，要求总包单位协调大建院提供折板做法施工图）和加加劲板过渡、悬挂幕墙柱与桁架的连接节点下的杆件需加大加强（悬挂幕墙柱处原桁架节点位置随幕墙柱位置调整，杆件也加大，已建好节点全部作废，且加强节点做法未出图）等。

由于边桁架中的复杂节点实体模型设计不能确认，造成相应边桁架均不能进行下一步深化设计的工作。

按照大建院于2009年11月15日重新提出复杂节点的修改设计原则，对复杂节点的实体建模和深化设计带来更大难度，部分复杂节点采用焊接节点将很难实现。

我司于2009.10.29已发函给总包暂停相关复杂节点的设计工作，但总包要求我司不能暂停，我司以大局为重，继续进行深化，但目前该工程的复杂节点实体建模的设计确认基本又回到2009.8.20设计所确定的设计原则，2009.8.20至今的复杂节点设计工作基本等于零，因此，我司明确提出：

与复杂节点相关的桁架、幕墙、会议厅、核心筒等钢结构深化工作全部暂停，并且，本着对工程节点设计安全负责任的态度，我司提出解决下一步复杂节点深化设计的两个方案：

第一种方案由总包方协调大建院提供达到国家标准规范要求的设计深度的设计施工图，我司将按此施工图进行深化设计。

第二种方案按照总包方抄送的10月23日《关于复杂节点专家评审意见》中的第二条意见，即委托专业详图设计单位，对复杂节点进行详图补充设计。

6.复杂节点最终实施细节

最终实施共分如下步骤：

构造设计及结构优化、复杂节点有限元分析、复杂节点深化详图实施。

6.1复杂节点构造设计及结构优化

由于结构为空间异型桁架结构体系，桁架构件截面为H型钢，且桁架构件空间汇交杆件多，空间关系十分复杂，平面里无法分析出节点如何设计，因此需根据实际标高和尺寸建立整个结构的三维实体模型，并把杆件按方位和截面规格全部导入模型中，仔细认真分析杆件间在节点处的相互关系和构造设计节点，并对不同部位的节点根据其重要性、受力大小、应力状态、受力特性进行归类构造设计节点，以保证节点构造设计的合理性、安全性、经济性，也确保结构的安全。

6.1.1铸钢件节点的设计

建筑工程中运用铸钢节点，由于其避免了多杆焊接时的较大残余应力、节点设计的自由度大、外形美观，已在我国越来越多的工程中采用。

现行《铸钢节点应用技术规程》CECS235：

2008在总结国内外材料、设计、制作、管理等经验和科研成果的基础上，对建筑用铸钢节点的材料和设计指标、设计、构造、加工、焊接、检验与验收等都做出了规定，规范了铸钢节点的设计、制作、检验等技术要求，促进其进一步发展。

因此，采用铸钢节点是安全的是有理论依据的。

该规程的设计一般规定的4.1.1条也明确多杆连接的节点以及建筑上有特殊外形要求时可采用铸钢节点。

大连国际会议中心结构主要竖向受力构件核心筒H1～H17，共17个，顶部由于建筑需要形成金字塔式的造型，并且大部分顶部柱头设有屋盖的支座，受力最大支座处竖向反力达1400KN、水平剪力达1000KN，因此，顶部的H型钢支撑钢结构设计十分复杂，节点处杆件受力大要求高、多方向汇交杆件数量多、角度小、加工制作十分困难，为确保节点安全可靠，故设计成铸钢节点，节点形式为铸钢相贯箱型节点，端部预留200mm长H型钢截面，以便与外面的H型钢节点现场对接。

铸钢件的位置、节点设计前后的比较详见图5、图6、图7。

图5核心筒顶部结构示意图

图6核心筒顶部复杂节点（未设计前）

图7核心筒铸钢节点

铸钢件的设计内容包括：

几何造型设计、工艺设计和分析、力学性能分析和节点校核。

几何造型设计、工艺设计和分析由专业铸造厂家来完成，并应满足建筑美观、铸造工艺条件、连接构造和施工安装的要求，以及符合节点部位的传力特点。

大连国际会议中心的钢结构材质选用Q345B，其设计值为：

≤16mm时，f=310N/mm2；

>

16～35mm时，f=295N/mm2。

由于本工程为焊接结构，铸钢件节点需与钢构件进行焊接对接，故根据规程的要求选用了焊接结构用铸钢节点的铸件材料G20Mn5N，其设计值f=235N/mm2。

Q345B与G20Mn5N材质的设计强度比为1.32倍或1.26倍，二者不等强，因此按等强原则本工程中铸钢件的最小壁厚不应小于与之相连钢构件的板厚1.4倍。

铸钢件节点重量一般为普通钢板焊接节点重量的2～3倍。

对于在大悬挑部位的水平异型空间汇交边缘桁架中的节点，如大量采用铸钢件，就使得结构的附加重量太重，又由于都集中在大悬挑桁架的端部，故对结构受力十分不利。

另外，铸钢件的加工周期一般在50天以上，而大连国际会议中心的工期十分紧张，大多数复杂节点都集中在水平边缘桁架，都采用铸钢件对工期影响很大。

因此，水平桁架节点若能用钢板焊接就尽量采用钢板焊接节点，而对于主要承受竖向力的竖向支撑结构中可以采用铸钢件。

6.1.2钢板焊接节点的设计

大连国际会议中心转换平台采用宽翼缘H型钢桁架结构，对于只有4个方向的正交桁架节点，可按国家标准图集《多、高层民用建筑钢结构节点构造详图》01SG519中的梁柱钢接节点、交叉支撑节点参考设计节点。

其主要原则是在节点处的弦杆构件内对应与之相连的斜腹杆、直腹杆的翼缘加横向加劲板，以便有效传递杆件的轴向拉力或压力。

然而，对于大悬挑部位的水平异型空间汇交边缘桁架中的节点处弦杆和腹杆内却无法对应设置加劲板，并且杆件间的空间关系复杂，角度小，按正交桁架节点的做法已无法实现。

钢板焊接节点指用钢板或型钢用焊接的连接方式来实现的节点。

现行《钢结构设计规范》GB50017-2003中对单根杆件，譬如：

受弯构件、轴心受力构件、拉弯和压弯构件都有明确的计算公式，但对于节点设计主要涉及梁与柱的刚性连接、连接节点处板件的计算。

对于空间结构的节点强度计算规范中也只是指圆管结构的，其设计原理也无法适用于在大悬挑部位的水平异型空间汇交边缘桁架中的节点。

大连国际会议中心工期十分紧张，为避免铸钢件的大量存在，通过根据实际标高和尺寸建立的按杆件方位和截面规格全部导入的三维实体模型，经过仔细认真分析杆件间在节点处的相互关系后，认为只有对复杂节点处的局部结构的几何构成进行调整和优化设计验算，才能最终实现钢板焊接节点。

主要优化设计措施有：

（1）调整杆件的方向，减少在节点处杆件的汇交数量。

设计施工图时，以结构形成几何不变体系和截面计算通过为主，未充分考虑节点如何设计，故导致桁架中的多根杆件汇交大都出现在下弦节点，而上弦节点处相对简单。

为此将此类节点中的杆件调整方向，将原与下弦节点汇交调整为与上弦节点相交。

（2）取消节点处部分不必要杆件。

平台边缘桁架为异型空间汇交桁架，复杂节点大量集中在此。

为便于节点构造设计，在对已形成稳定几何不变体系中的多余杆件进行取消处理。

（3）杆件截面替换。

空间非正交桁架汇交节点中，节点处的直腹杆为H型，而H型钢具有方向性，不能兼顾与之相连的多个桁架平面，斜腹杆在此处的连接存在错边的情况。

如将直腹杆的截面由H型钢替换为箱型截面，可以有效解决多方向桁架的斜向腹杆无法与直腹杆连接的错边问题。

（4）次要杆件偏心处理。

复杂节点处杆件汇交多，根据节点杆件的内力大小，找出主受力杆件，在节点设计时优先确保其内力的可靠传递。

对于受力较小的次要构件就采取偏心处理，尽量减小节点处由于偏心引起的附加弯矩，同时也可以避免节点处的焊缝集中和重叠现象。

（5）节间距离的调整。

桁架的节间距离小，杆件多，会导致节点挨节点，节点间无杆件的情况，无法进行节点设计，并且导致此处刚度太大，与桁架结构模型的计算假定不符。

主要构造设计措施有：

（1）节点处加劲板对应共用。

斜腹杆与直腹杆或弦杆相连时，应尽量使得各方向斜腹杆的翼缘对应设置在直腹杆或弦杆里的加劲板共用，加劲板的厚度取与之相连杆件中的最大值。

（2）节点处加劲板加密。

对于无法对应设置加劲板的位置，为避免相交杆件处节点板件屈曲，应按便于施焊的原则间距150mm增加至少2道加劲板。

（3）杆件翼缘做弯折加劲处理。

为便于节点处直腹杆或弦杆里加劲板的设置，减少焊缝在节点处的集中，故将斜腹杆的翼缘做不大于30°

的折角，同时在折角处增设与杆件翼缘等厚的加劲板，以保证此处翼缘由于弯折后内力的有效转递。

国家标准图集01SG519里的做法有圆弧和弯折两种，但经有限元计算分析做圆弧处理时应力集中现象严重，故按弯折加劲处理构造合理。

（4）节点处杆件的上下翼缘做整板，角部做圆弧过渡。

空间节点在同一标高汇交杆件多时，可以采用这种做法，有效减少节点处的焊缝，角部圆弧处理避免了应力集中。

（5）节点处杆件做变坡处理。

节点处弦杆左右截面不相等时，可将大截面杆件向小截面杆件方向延长，出节点区域时再做1:

4变坡过渡到小截面。

（6）局部节点做H型钢封箱处理。

对于非正交的桁架节点，由于其汇交的直腹杆为H型钢构件，故斜向腹杆与之相连时会形成形成一些尖角，会产生应力集中，并且施焊时也困难，焊缝质量不能保证。

因此采用局部封箱节点处理办法可很好的解决这些存在的问题。

对采取了上述结构局部调整的地方，除进行局部验算满足外，还进行了整体结构计算，以确保优化设计调整后的结构安全性。

钢板焊接节点设计前后的比较详见图8、图9、图10。

图8平台桁架复杂节点

图9钢板焊接节点俯视图

图10钢板焊接节点

6.1.3钢板和圆管组合的节点设计

设计时H型桁架的弦杆、腹杆的放置方向均按腹板垂直地面放置，因此在空间汇交边缘桁架节点处，均存在翼缘宽出节点处弦杆和直腹杆的翼缘宽度。

如果将H型钢做适当扭转，把H型钢的腹板放在边缘桁架的平面里，对上述问题的存在有一定改善，但由于边缘桁架为斜面扭曲桁架，上下弦杆和腹杆不在一个平面里，并且加工制作时构件扭转的角度也难以控制和加工准确，故将部分H型钢腹杆杆件替换成圆钢管截面，以解决杆件的扭转问题。

由于是桁架结构，腹杆杆件是轴心受力构件，故替换时按不小于原杆件的截面面积，并按回转半径相当的原则。

钢板和钢管组合节点指用在节点处局部斜腹杆采用圆管替换原有H型钢斜腹杆，并与钢板或型钢用焊接的连接方式来实现的节点。

节点处不留钢管牛腿，钢管在相邻两节点间做成整根构件运至现场安装和施焊，钢管端部做相贯线坡口处理，焊缝采用部分熔透焊缝。

这种节点形式可减少节点在车间制作的牛腿数量和制作误差，使得加工效率大大提高，并且有效减少现场安装误差，避免了复杂节点间牛腿无法对位的问题。

同时，由于钢管现场后焊，故使得此处钢板焊接节点十分简单，故可以直接在车间里与主方向桁架形成整榀制作，大大提高了现场施工的速度，减少的主方向桁架杆件在节点处的现场对接，对结构受力有利。

由于圆管构件为后焊，以及现场安装误差客观存在，故导致钢管安装就位不一定会中心对齐，部分钢管安装存在偏心情况。

偏心过大，则对节点处产生较大的附加弯矩。

为节点受力状态满足设计要求，确保结构的安全，对于圆管后装杆件宜放在受力较小的地方。

大连国际会议中心空间桁架复杂，但根据结构计算受力分析可知边缘桁架实际受力较小，杆件的应力也很低，为次方向桁架，而与之相交方向的桁架受力较大，根部与核心筒相连或与核心筒间的桁架相连，为主方向桁架（图11）。

因此，在进行节点设计时，次方向桁架的腹杆按截面面积相等原则采用圆管替换，并且为保证圆管在节点处的连接焊缝沿全周连续焊接并平滑过渡，将在主桁架方向的端部原H型钢截面的直腹杆修改为箱型构件或局部封箱处理，便于次方向边缘桁架斜腹杆在节点处的焊接和安装，另外在主桁架方向仍保留H型钢截面以便与内部H型钢桁架的连接（图12）。

钢板和钢管组合节点设计前后的比较详见图13、图14。

图11边缘桁架A区局部平面图

图12边缘桁架A区局部立面图

图13边缘桁架复杂节点

图14钢板与钢管组合的节点

6.2复杂节点有限元分析阶段

节点分为平面节点和空间节点。

平面节点是指所有杆件轴线处于同一平面或几乎处于同一平面内的节点，反之则是空间节点（又称多平面节点）。

大连国际会议中心的复杂节点属于空间节点，由于杆件汇交数量多，汇交方向有正交、斜交，对于边缘桁架节点正交和斜交都同时存在，并且杆件截面为H型钢截面。

因此，节点构造复杂，受力性能也复杂。

为了解其受力状态、应力分布，确保节点设计的安全，有必要对复杂节点进行有限元分析。

有限元分析方法是重要的计算分析手段，它可以弥补理论分析和试验分析的不足，很好的模拟空间复杂节点的受力过程，分析结果可靠。

目前在实际工程中，对重要的节点设计分析中已广泛采用有限元分析方法。

6.2.1节点有限元分析原则

铸钢件节点、钢板焊接节点、钢板和圆管组合节点的有限元分析采用实体单元。

根据节点的具体约束形式确定与实际情况相似的边界条件。

有困难时，可采用简化的边界约束方式，但由此产生的节点内的应力分布状况应与实际情况尽可能一致。

作用在节点上的外荷载和约束力的平衡条件应与设计内力一致。

复杂应力状态下的强度原则应采用vonMises屈服条件。

6.2.2典型复杂节点有限元计算

大连国际会议中心空间桁架节点复杂，数量众多，形式各异。

以下挑选在结构受力大的部位的典型复杂节点进行了有限元分析计算。

铸钢件节点。

（1）网格划分后的典型复杂空间节点的有限元模型。

生成节点和单元的网格划分包括：

定义网格生成控制（自由网格、映射网格）和生成网格。

网格生成控制不是必需的，因为缺省的网格生成控制对多数模型生成都是合适的。

如果没有指定网格生成控制，程序会在Desize后使用缺省设置生成自由网格，也可用Smartsize控制选项产生质量更好的自由网格。

因此，铸钢节点采用智能网格划分，划分精度因铸钢节点的不同而各不相同。

为精确模拟其受力性能，采用三维实体单元SOLID95。

网格划分详见图15。

（2）边界条件和加载方式的选择。

铸钢节点是结构中的非支座节点，虽然节点汇交各杆的力是自身平衡力系，但用ANSYS分析时，若不施加约束，程序会认为节点不平衡导致计算无法进行。

因此只能根据节点的受力特点，取受力比较大的主梁截取截面为约束面，其它截取截面为加载面，以使结果反映节点的真实受力状态[5]。

铸钢节点根据其在结构中的不同位置，边界条件各不相同。

（3）有限元结果分析及结论。

由应力图（图16）可知，（a）在整个加载过程中，节点在支管相交的外侧倒角区域的应力较大，局部有应力集中，远离汇交区域的应力水平较低。

节点应力分布总体平缓，节点区域没有出现大的变形，是安全可靠的。

（b）节点在试验荷载作用下，最大应力峰值未超过材料（G20Mn5N）的屈服强度，全部区域的应力都在弹性范围之内。

可以认为该节点的设计具有较大的强度储备，节点设计是安全可靠的。

图15铸钢件节点的网格划分

图16铸钢件节点的应力分布

钢板焊接节点

网格划分详见图17。

钢板焊接节点是结构中的非支座节点。

因此只能根据节点的受力特点，取受力比较大的主梁截取截面为约束面，其它截取截面为加载面，以使结果反映节点的真实受力状态。

由应力图（图18）可知，（a）在整个加载过程中，节点在支管相交的外侧倒角区域的应力较大，局部有应力集中，远离汇交区域的应力水平较低。

（b）节点在试验荷载作用下，最大应力峰值未超过材料（Q345B）的屈服强度，全部区域的应力都在弹性范围之内。

图17钢板焊接节点的网格划分

图18钢板焊接节点的应力分布

钢板和圆管组合的节点。

网格划分详见图18。

钢板和钢管组合节点是结构中的非支座节点。

由应力图（图19）可知，（a）在整个加载过程中，节点在支管相交的外侧倒角区域的应力较大，局部有应力集中，远离汇交区域的应力水平较低。