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。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)床工廠化生產(chǎn)），既滿足了設(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Seele系統(tǒng)是以Seele英國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平面匯交于一點(diǎn)時(shí)的形態(tài)復(fù)制而成的（圖2）。

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

    冬季花園工程長約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似英國Seele系統(tǒng)（Montagebilder博物館項(xiàng)目），即通過鋼匯交節(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（桿件長度精確加工，并帶有精加工過的配合面）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�，F(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)加以說明，見圖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，而網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的厚度為300mm和400mm，數(shù)學(xué)線條模型與網(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定在上翼緣兩塊玻璃角平分線所在的平面上。數(shù)學(xué)理論線條模型與網(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)加以說明。由于玻璃面層離開桿件上翼緣表面僅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)上采用了理論線條模型同桿件上翼緣中心線重合匯交的方法，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，見圖7。

    從圖7的內(nèi)部構(gòu)造可見，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)由整體剛度通過自由度凝聚來獲得，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ANSYS分析過程中，假定加載總時(shí)間為Tn，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ANSYS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。