铸钢索夹节点在弦支穹顶结构设计中的应用
【摘要】出于对大空间的功能需求，在很多建筑的结构设计中，都需要保留足够大的空间，同时又需要满足建筑结构的所有基本性能，如防风防雨、抗震隔音等等。

而在建筑结构设计的发展中，钢结构的建筑设计方法逐渐得到了广泛应用。

这是因为钢结构具有受力合理、结构简化且施工较为方便等多种优点，对于大跨度、大空间要求的建筑来讲，是最佳的结构选择方式。

而在钢结构的应用中，铸钢节点的节点形式中较为常见的一种，其有多种节点形式。

本文中主要来谈谈其中的一种，铸钢索夹节点在空间钢结构中的设计应用方式。

文章以某大型体育馆的钢屋盖工程为例，通过对节点的设计、计算与分析等几方面的探讨来实现对铸钢索夹节点的应用分析。

【关键词】铸钢索夹节点；弦支穹顶；结构设计；计算分析
随着网架结构、钢结构等空间结构的建筑设计方式的应用越来越广泛，而这些结构中必须要用到的节点连接方式也随之有了很大的发展。

铸钢节点作为一种具体可塑性较好、韧性较大，且能够进行有效焊接等多种优点的节点连接方式，一经推出，就得到了广泛的应用。

在我国的很大大型空间结构的施工中，都是采用铸钢节点的节点形式。

铸钢节点又可以按照连接方式的不同而分为多种不同的铸钢节点形式。

一般在实际的工程应用中，多采用铸钢球节点、铸钢相贯节点与铸钢支座节点这三种节点形式。

而本文中所要介绍探讨的则是一种新的铸钢节点形式，即铸钢索夹节点。

笔者以某体育
馆的屋盖施工为例，详细分析了铸钢索夹节点在弦支穹顶结构中的实际应用。

1、工程概况
在某体育馆工程的建筑施工中，结构施工设计将下部主体设计为钢筋混凝土结构，上部屋盖采用钢结构。

体育馆钢屋盖采用了新型弦支穹顶结构，由上部的刚性空间网壳结构和去掉上层索的张拉整体结构组成的杂交结构体系，即屋盖上部采用双层网壳结构，其外形为椭圆抛物面，水平投影为一椭圆，长轴方向总长165m，短轴方向总长145m，投影面积约18 800m2。

网壳上弦曲面由下弦曲面向上平移3m形成，网格由三向交叉桁架单元组成，采用焊接球节点连接，屋盖下部则采用了张拉整体索杆体系，共设置三环拉索，每环拉索由径向索、两根环向索组成，索系通过撑杆与上部网壳连接。

上部网壳结构和下部张拉整体索杆体系形成一个整体共同作用，对拉索施加预应力后，将大大减小了结构对支座的水平推力，网壳的竖向变形及杆件内力也得到降低，从而改善了结构的受力性能。

由于在本工程中，所设计的弦支穹顶的屋顶结构的撑杆底部是索夹节点，且每环索系所承受的各方拉力或者压力都聚集在节点处，这就给节点处的索夹造成了很大的负荷，并且受力状况也相对复杂。

在本工程中，所有的索系一共使用了56根撑杆来支撑，这也就是说，本工程中药用到56个索夹节点。

由于节点需要承受不同方向的不同力度的作用力，因此为了减少一定的荷载，设计要求索夹节点与环向索之间要能够产生一定的相对位移。

另外，还要考虑
到径向拉索等不同的受力特点和拉索预应力的张拉方式等等多方
面的因素。

整个弦支穹顶的构造极其复杂，施工难度较大。

为了能够更好的完成节点施工，防止重叠焊缝焊接所引起的应力聚集现象，本工程决定放弃传统的焊接板节点形式，而采用更为高效安全的铸钢索夹节点。

2、铸钢索夹节点设计
在对铸钢索夹节点的施工进行设计时，除了要考虑节点的安全问题以外，还要顾及到铸造工艺技术的有关要求，因而索夹节点的构造较为复杂，需要满足：使两根环向索水平通过节点，撑杆垂直通过节点，拉索、节点与环向索不能互相碰撞，要确保所有作用在节点上的作用力都聚集在一点等等。

3、铸钢索夹节点计算与分析
由于在弦支穹顶结构中，铸钢索夹节点的受力极为复杂，对其构造的要求也较多，为了满足工程的经济性和技术要求，我们选择了编号为33d的铸钢索夹节点，采用大型通用软件ansys建立有限元模型进行弹塑性分析。

该铸钢索夹节点长880mm，宽500mm，高180mm，径向索耳板厚度70mm。

由于铸钢材料具有较好的塑性，铸钢索夹节点的强度准则采用von mises屈服准则，即当计算点的mises应力超过材料强度，认为该点进入塑性。

根据本工程的铸钢索夹节点尺寸及材料特点，其屈服强度经计算为0.3。

3.1 计算模型
根据铸钢索夹节点实际尺寸，建立节点空间三维模型作为计算模
型。

在建模过程中，虽然环向索索力较大，但索力方向跟铸钢索夹节点夹角较小，因此不予考虑；另外铸钢节点下半部分对节点受力影响较小，因此建模时也不予考虑；铸钢节点各边、各相交部位的倒角圆角及耳板问加劲板建模时忽略。

这样简化既可保证计算精度又可减小计算工作量。

节点建模采用lo节点四面体实体单元（soud92），每个节点有3个自由度，采用自由网络划分，按照smartsize尺寸等级6智能划分实体单元，对拉索耳板部分再给予优化细分，单元总数为56 397个。

3.2 计算过程与结果
根据最不利荷载作用状态下受力情况撑杆内力和拉索拉力，将荷载分解为x、y、z三个分力直接施加到模型节点上。

在本铸钢索价节点计算中，刚度最大的是铸钢体本身，结合结构使用过程中该节点的受力状态，约束直接施加在螺栓孔壁面。

（1）在最不利荷载下按弹性计算分析结果显示，节点绝大部分区域应力远小于材料的屈服强度，处在弹性阶段。

计算结果得出节点最大的von mises应力为582.1mpa，位于拉索耳板与铸钢节点主体交汇处，且应力分布非常不均匀。

屈服区域仅出现在少数部位，因此即使出现超过屈服点的极限状态，也可以期待钢材的塑性使屈服应力趋于平缓，避免强度的破坏。

（2）考虑材料非线性的影响，在最不利荷载下进行弹塑性分析，计算结果得出节点的应力峰值约为355.1mpa，表明在节点局部进入
塑性后，应力进行了重分布，应力趋于平缓，上述结论得到验证。

（3）在实际采用的铸钢索夹节点在浇铸过程中，拉索耳板与铸钢节点主体交汇处做成倒角，连接部位较平缓，不会产生过大的应力集中。

3.3 结果分析
综上弹性和弹塑性计算分析，铸钢索夹节点在最不利荷载条件下仅有极少数单元应力超过材料屈服强度，一方面是属于局部应力集中，另一方面是由荷载施加方式造成的。

节点局部进入塑性后，应力将会进行重分布，另外在铸造过程中会采取相应措施减缓应力集中，因此铸钢节点部分具有足够的安全储备。

4、结语
本文通过对某体院馆的屋盖结构这一工程的设计方法进行分析
探讨，指出了在大跨度的建筑屋盖结构设计中，采用弦支穹顶结构进行施工是具有很大优越性的。

而在进行弦支穹顶结构的节点设计中，铸钢索夹节点的节点形式的应用能够很好的解决结构中节点的特殊受力问题，是一种可行性、经济性较大的钢结构节点设计形式。

笔者希望通过本文的分析探讨，能够为其他的类似空间结构的设计施工提供一些有用的实践参考依据，以促使更多的新型空间结构应用在我国的城市现代化建设中。