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    建筑索結構節點設計——轉載自公眾號鋼結構

    時間:2019-8-15     點擊量:247

    關于建筑索結構
        建筑索結構是指:用索作為主要受力構件而形成的建筑結構體系,形式眾多。
        索構件通常有鋼絲索(鋼絲束、鋼絞線、鋼絲繩)和鋼拉桿兩種類型。

        索必須存在初始拉應力才能參與結構工作,初始拉應力可以通過張拉形成,也可以由外荷

    產生。

        索結構要對邊緣構件及支承結構進行合理布置,保證索結構預應力的可靠維持。
        概括各種形式索結構的受力及應用特點。

    根據受力特點可分為剛性和柔性索結構:

        剛性索結構在荷載作用下滿足小變形假定,如斜拉結構、張弦結構(弦支穹頂)、預應力

    網格結構、索拱結構、索托結構等;


    根據受力特點可分為剛性和柔性索結構:

        柔性索結構的計算分析必須考慮幾何非線性效應,各項荷載效應之間不再滿足線性疊加

    則,如懸索結構(單索結構、索網結構、雙層索系、橫向加勁索系)、索穹頂等。


    索結構節點類型:
    端頭連接:螺栓錨固、螺栓接長、耳板銷軸
    中間連接:夾緊、轉向、滑動


    按索節點的連接功能分類:
    張拉節點、錨固節點、轉折節點、交叉節點、索桿節點
    按索節點的連接作用分類:
    索與索的連接、索與剛性構件連接、索與支承構件連接、索與圍護結構連接
    索與索的連接
    同向拉索中間連接張緊


    雙向拉索的連接


    拉索與柔性邊索的連接


    同向拉索中間連接張緊
    雙向拉索的連接
    拉索與柔性邊索的連接
    同向拉索在中間節點改變方向


    平面內不同方向拉索之間連接

    索與剛性構件連接
    拉索與橫向加勁桁架下弦連接

    撐桿與下弦拉索的連接


    拉索與橫向加勁桁架下弦連接
    撐桿與下弦拉索的連接
    斜索與剛性節點連接


    撐桿上節點連接多個方向脊索

    索與支承構件連接
    拉索與鋼混支承構件連接


    拉索與支承鋼柱或鋼梁連接


    徑向拉索與支承鋼環梁連接

    索與圍護結構連接
    拉索與鋼檁條


    拉索與玻璃



    建筑索結構節點的特點
    ⊙節點匯集桿件多,受力較為復雜;
    ⊙節點常匯集有剛性桿件和柔性拉索;
    ⊙節點形狀復雜;
    ⊙存在幾種基本連接形式:螺桿、索夾、耳板銷軸、可滑動;
    ⊙復雜節點可視為基本連接的組合體。


    索結構節點設計原則

        綜合考慮建筑外觀、節點傳力方式并結合節點錨具和索體類型等進行概念設計,確定節點

    連接形式,然后對節點進行具體構造設計。

        按相關標準選用索結構節點的材料(熱軋鋼、鑄鋼、高強螺栓副、銷軸、關節軸承、焊接

    材料、涂裝材料等)。

        節點的構造應與計算假定相符,傳力路線簡捷明確、安全可靠,構造簡單合理并便于制作、

    安裝、索力調整和維護,經濟性好。

        節點的強度(含局部承壓強度)、剛度、變形和受壓板件的穩定性應滿足國家標準《鋼結

    構設計標準》、《索結構技術規程》、《預應力鋼結構技術規程》、《鑄鋼結構技術規程》

    的規定。

        節點的承載力設計值應不小于拉索內力設計值的1.25~1.5倍。
        主要受拉節點焊縫質量等級應為一級,其它焊縫質量不低于二級。

        對采用新材料或新工藝的重要、復雜節點,可根據節點實際受力狀態進行足尺或縮尺模型

    的檢驗性試驗(最大內力設計值的1.3倍)或破壞性試驗(最大內力設計值的2.0倍)。

        根據環境條件、材質、結構形式、使用要求、施工條件和維護管理條件等進行節點的防火

    與防腐設計。


    螺桿連接節點設計
    螺桿連接節點的多種形式:
    拉索接長

    索端錨固

    螺桿本身是錨具



    通過錨箱轉換連接



    不同承壓位置


    設球鉸等轉動裝置,釋放因大變形引起的端部彎矩


    螺桿連接節點設計的一般要求

    ⊙螺桿連接中螺桿是索體的一部分時,螺桿與索按照等強設計;其他情況下螺桿承載力設

    值應按照索拉力設計值的1.25~1.5倍選取。

    ⊙螺桿承載力計算時應考慮螺紋對螺桿截面削弱的影響。

    ⊙應采用雙螺母、螺母加彈簧墊片、螺母下設置止動墊圈、螺栓上設置開口銷、自鎖螺母

    等方式防止螺母松動。

    ⊙多螺桿連接設計時應考慮合理的張拉順序,確保多根螺桿受力均衡。

    ⊙螺母應緊固牢靠,外露絲扣不應少于兩扣;對于索-索螺桿連接,應確保螺桿擰入錨具

    內的螺紋長度不小于10倍螺距。

    ⊙張拉時要對張拉工裝進行專門設計,防止張拉過程中螺桿承受彎矩。

    螺桿連接節點的承載力驗算
    螺紋驗算 螺紋是螺桿連接的關鍵部位,一般由生產單位進行專門設計。
    內螺紋彎曲應力驗算:

    內螺紋剪應力驗算:

    外螺紋彎曲應力驗算:

    外螺紋剪應力驗算:



    接觸面局部承壓驗算

        由于錨具端頭較螺桿直徑大,索體要穿過支承部位就需要預留較螺桿直徑更大的孔洞,

    使得螺母與錨固體接觸面較小,導致局部壓力很大。


    支承構件沖切(剪切)驗算
    若支承結構構件(鋼板、混凝土板)較薄時,還容易發生沖切(剪切)破壞。

    有限元分析

        螺桿連接節點常在節點連接域設置加勁板、隔板等,使得節點連接域構造較為復雜。對

    于索力大、節點構造復雜的螺桿連接節點,應建立有限元模型進行分析。    

    *以上驗算分別按照現行《混凝土結構設計規范》、《鋼結構設計標準》進行



    索夾節點的定義與構成
        索夾節點是連接索體和相連構件的一種不可滑動的節點。
        一般包括主體、壓板和高強螺栓。

        主體直接與非索構件相連,壓板通過高強螺栓與主體相連,通過高強螺栓的緊固力使主

    體和壓板共同夾持住索體。


    * 形式多樣,名稱多樣:夾具、鑄鋼夾具、U形夾、螺栓夾具、鋼板夾具、索球、索瓦、

    前壓塊、后壓塊、索壓塊等等。


    索夾節點設計

    索夾節點設計的一般要求

        應具有足夠的承載力和剛度來有效傳遞結構內力,并在結構使用階段應具有足夠的抗滑承

    載力, 防止索夾與索體相對位移;

        構造應符合計算假定,做到傳力清晰、準確,確保安全并便于制作和安裝;

        小型索夾可采用U型索夾,大型索夾宜采用鑄鋼件。索夾材料應采用具有良好延性的低合

    金鋼或者鑄鋼;

        索夾應采用摩擦型大六角頭高強度螺栓;

        外包HDPE的拉索的抗滑承載力低于裸索,當不平衡力較大時,索夾易滑動,且表面HDPE

    易被拉裂。因此對于外包HDPE的拉索,當不平衡力較大時,應制定孔道內表面和夾持段索體

    外表面的抗滑和防腐專項措施。


    強度承載力驗算
    索夾主體和壓板的A-A、B-B截面應進行強度承載力驗算。
    A-A截面的抗彎應力比KM和抗剪應力比KV驗算:


    索夾主體和壓板的A-A、B-B截面應進行強度承載力驗算。
    B-B截面的抗拉應力比KT驗算:



    關于高強螺栓的初始緊固力

    按《鋼結構設計標準》規定的高強螺栓預拉力設計值確定;或者由試驗確定,但不宜超出規

    范值的15%;


    對于受力復雜的鑄鋼索夾宜通過彈塑性有限元分析確定其極限承載力。

    抗滑承載力驗算
    索夾抗滑設計承載力應不低于索夾兩側不平衡索力設計值:


    關于部分安全系數

        索夾抗滑設計承載力的部分安全系數是參考《Eurocode 3 Design of steel structures》

    的叫法。


    關于綜合摩擦系數

        綜合了索體和索夾之間摩擦系數μ以及壓應力分布均勻性。其中摩擦系數μ受索體和孔

    道接觸材料和粗糙度等因素的影響,而壓應力分布均勻性受索夾剛度、孔道與索體之間

    間隙及加工精度等因素影響。對于外包HDPE的鋼絲束索、密封索和鋼絞線裸索,建議

    分別取0.1、0.2和0.35。

        由于影響因素眾多,多項工程試驗中變異較大,因此宜通過索夾抗滑承載力試驗來

    測定。

     
    關于緊固力損失系數和高強螺栓有效緊固力

        高強螺栓預緊后,由于高強螺栓自身應力松弛、索體蠕變和后續索力增加導致高強

    螺栓緊固力顯著降低,因此高強螺栓有效緊固力計算式為


        多項工程試驗中,高強螺栓緊固力損失系數大致范圍為0.25~0.55,變異較大,因

    此通過索夾抗滑承載力試驗來測定為宜。

     
    索夾抗滑承載力試驗
        試驗索夾制作加工和關鍵構造尺寸應與實際工程一致;
        按照實際工況張拉至設計索力(預緊—張拉、張拉—預緊—張拉); 

        到達設計索力后,靜置足夠的時間待高強螺栓緊固力衰減穩定后再加載頂推索夾直

    至沿索體明顯滑動;

        通過頂推過程的荷載-位移曲線確定索夾抗滑極限承載力。當索夾的主體和壓板的滑

    移量都迅速增加,且頂推力難以繼續增加時,對應的頂推力定為索夾抗滑極限承載力;

        試驗極限承載力應不低于抗滑設計承載力的1.5倍。



    索夾構造和制作要求

        索夾主體和壓板上的高強螺栓孔徑應比螺栓公稱直徑大1.5~2mm。主體和壓板應配

    對制孔,且配對標記;

        索夾主體和壓板之間應留有足夠的間隙,以保證高強螺栓預緊且索夾變形后主體和

    壓板之間無接觸,即高強螺栓的緊固力全部有效的作用在索體上;

        索孔道允許偏差:孔直徑,0~2mm;孔中心與索夾節點中心間距,±1mm;孔道

    中心圓弧兩端切線夾角,±15’;

        索孔道表面粗糙度要求:Ra=50μm;
        索夾孔道口和邊緣應倒圓角且打磨圓滑,圓角半徑宜不小于10mm;

        索夾表面涂裝要求應不低于主體鋼構件。對鋼絲外露的裸索,應在索夾孔道與索

    體接觸面熱噴鋅,厚度宜≥0.6mm且≤1mm。



    耳板式節點設計
        耳板式節點設計的一般要求

        為保證拉索僅承受軸向拉力,避免索端彎曲,采用銷軸連接結構耳板與索頭叉耳,

    即耳板式節點。

        常見的耳板形式有:矩形、帶切角矩形、圓形、環形。


        受力較大時,可在耳板的主板兩側加貼板的形式,對于鋼板耳板,貼板應焊接在主

    板上;對于鑄鋼耳板,貼板宜鑄造成一體。


        對耳板平面外存在較大轉角的節點,宜采用關節軸承。


        耳板和銷軸的設計承載力應不小于拉索內力設計值的1.25-1.5倍。

        形式特殊、受力特別復雜的特殊耳板式節點,應進行彈塑性有限元分析確定其設計承

    力。

        承載力驗算包括:耳板孔凈截面抗拉強度(Ⅰ-Ⅰ)、耳板端部截面抗劈拉強度(Ⅱ-

    Ⅱ)、抗剪強度(Ⅲ-Ⅲ)、耳板根部抗拉強度(Ⅳ-Ⅳ)、銷孔局部承壓強度、貼板焊

    縫承載力 。


    耳板承載力驗算
    耳板孔凈截面處的抗拉強度驗算




    耳板根部全截面抗拉強度驗算


    銷軸承載力驗算
    銷軸抗剪承載力驗算




    構造要求
    板端距離a

    耳板最小厚度

        過薄的節點板不利于銷軸抗彎,同時會減弱節點板承壓應力在板厚方向的重分布。

    《鋼構設計標準》GB50017要求耳板厚度不得小于耳板每側凈寬1/4。這里建議最

    小厚度不低于20mm。


        兩側貼板厚度t2宜相等,且t2宜取主板厚度t1的1/3~1/2。
        矩形耳板的切角與構件軸線成45°角,且切角邊凈距不小于耳板頂部的邊緣凈距。

        銷軸與銷軸孔之間間隙宜滿足如下規定:當銷軸直徑d<100mm時,銷孔間隙g≦1mm;

    時,100≦d<150時,g≦1.5mm;當d≧150mm時,g<2mm。過大的間隙減小兩者的接

    觸面積,增大接觸壓應力;容易造成連接的松動,增大連接件的二次應力。

        銷軸精加工部分的長度,應比被連接的構件兩外側面間的距離長6mm以上,且兩端

    應有防止銷軸橫向滑脫的蓋板或螺母。

        當銷軸和銷軸表面要求機加工時,其質量要求應符合相應的機械零件加工標準的規

    定。耳板式節點安裝精度應符合《鋼結構工程施工質量驗收規范》GB50205要求。


    可滑動節點設計
    定義

        可滑動節點是指根據受力或施工需要在節點處拉索可以滑動或限制滑動。一般包括

    安放拉索的索槽及其與支承構件的連接,需要固定拉索時多與索夾連接組合。

       兩類:施工階段滑動,使用階段固定;施工與使用階段均滑動。   


    可滑動節點應用場合

        在張弦結構和索拱結構中,當撐桿在索軸線平面內呈V字形布置時,索與撐桿連接宜

    采用可滑動節點,待施工張拉成型后再通過索夾與撐桿節點固定。


    * 索鞍、索托、滾動節點、滑動節點

    可滑動節點應用場合

        當弦支穹頂結構承受半(偏)跨荷載作用時, 可設置環索可滑動節點連接,從而降低

    環索、斜索和撐桿的內力幅值,并使其均衡相等。

        帶有環索的結構,張拉環索過程中環索與節點摩擦阻力過大,造成較大預應力損失,

    此時宜設置環索可滑動節點連接,待張拉成型后再固定拉索。


        斜拉結構和懸索結構中,當需要拉索通過索塔節點改變方向以便錨固時,可采用帶

    有符合拉索彎曲形狀的索鞍來改變拉索的傳力方向,并根據需要采取構造措施控制拉

    索與索鞍中索槽的滑動與固定。


        索托結構中拉索與結構連接的節點宜采用反向的索槽,根據需要施工張拉成型后可

    通過索夾固定。



    一般設計原則

        節點的幾何設計應確保索體光滑通過節點,避免在節點內部對索體形成過大的折點。

    可滑動節點通常將節點索槽的彎曲弧度設計成與預應力拉索的彎曲弧度一致。

        節點的構造設計應確保拉索滑動過程中索體與節點間的摩擦力最小。可在索體與節

    點間布置潤滑材料(如聚四氟乙烯等)來減小摩擦力。也可以采用帶有滾動軸的做法,

    利用轉軸的滾動摩擦代替節點與索體間的滑動摩擦,采用設置可分離壓板的辦法,解

    決鋼拉索張拉后充分固定的問題。


        索槽圓弧半徑一般為主索直徑的8~12倍,以減少主索鋼絲的二次應力。
        索槽尺寸應能確保拉索滑動時不易脫槽,或設置構造措施予以保證。

        大型索鞍多為鑄鋼件制造,也有用鋼板組焊加工的。索鞍重量、外形尺寸應綜合考

    慮運輸和安裝成本,否則應進行分塊。


    承載力驗算

        由于索結構的空間受力特點,可滑動節點的索槽及其支承構件可能處于復雜的三向

    空間受力狀態,應按照《鋼結構設計標準》的規定進行承載力驗算:

    ⊙通過索結構整體計算得到最不利荷載組合下拉索的拉力,將其分解成對索槽底面的豎

    向力和索槽側面的水平力。

    ⊙驗算索槽底的承壓承載力。
    ⊙驗算索槽側面的擠壓承載力和抗剪承載力。
    ⊙驗算索槽支承構件承載力。
    ⊙帶有滾動軸的可滑動節點還應進行滾動軸受剪和孔壁承壓承載力驗算。

    ⊙與可滑動節點組合的索夾驗算。


    索結構節點有限元分析
    ●有限元分析宜采用實體單元,徑厚比或寬厚比不小于10的部位可采用板殼單元。

    ●在易于產生應力集中的部位,實體單元的最大邊長不應大于該處最薄壁厚,其余部位

    的單元尺寸可適當增大,但單元尺寸變化應平緩。可進行多種單元、尺寸的模型對比。

    ●作用在節點上的外荷載和約束力應與設計相符。節點承受多種荷載工況組合時,應分

    別按每種荷載工況組合進行計算。



        當鋼材具有較長的屈服平臺時,材料的應力應變關系可采用理想彈塑性模型;也可

    采用具有一定強化剛度的雙折線模型,使應力-應變具有明確的對應關系,第二段折線

    的彈性模量可取第一段的2%-5%。強度準則一般采用Von Mises屈服條件。

        極限承載力可根據彈塑性有限元分析得出的荷載-位移全過程曲線確定。當曲線具

    有明顯的極值點時,取極值點為極限承載力;當曲線不具有明顯的極值點時,取荷載

    -位移曲線中剛度首次減小為初始剛度10%時的荷載為極限承載力。節點承載力設計

    值不應大于彈塑性有限元分析所得極限承載力的1/2。

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