悬挂式钢结构拉索连接节点的研究

贾海波，郭 宁，王 超，王云升

（中建八局第二建设有限公司，山东 济南 250014）

索结构作为现代大跨度建筑结构的主要形式之一，已在国内外大型工程项目中得到广泛应用。建筑索结构在我国的应用已有数十年历史，近十几年来，它得到了迅速的发展和大量的推广应用。索结构节点在索结构施工中尤为重要，其一直作为影响索结构施工安全与质量的重要因素，通过对国内大量的索结构工程的连接节点的深入研究借鉴，成功的研制出悬挂索坡道节点。

某项目屋盖采用钢桁架结构，地面以上观景螺旋坡道采用索体悬挂结构，项目采用索结构固定室外螺旋坡道，索体为钢拉杆，。该悬挂拉索结构不同于一般索结构，除两端张拉固定外，拉索中间节点还需要支撑坡道钢梁，为保证实际施工拉锁施工质量，项目决定采用分段式钢拉索，另外拉索钢坡道无法直接相连，需采用专门的构造节点将两端钢拉索与钢坡道三者之间连接。这样拉索除在索中节点位置承受坡道竖向集中荷载，拉索节点还要承受坡道横向荷载，并需要一定的刚度以满足水平变形要求。需要对悬挂坡道拉索的节点进行细致的受力研究。

1 研究概况

1.1 索体连接节点设计原则

索体与其它构件或结构无法直接相连，需采用专门的节点构造。目前主要通过在拉索端头设置连接环或螺杆连接件等方式与主体结构连接。实际工程中的节点构造需考虑制作工艺和安装的要求，节点的刚度、嵌固能力等有时难以达到与计算假定一致，所以在结构分析和设计时应考虑到节点刚度或变形的影响。拉索节点的设计应遵循以下原则。

（1）索-索-构件连接应尽量对中、无偏心。

（2）索的连接应确保索不能滑动。

（3）索-索的连接件按与索等强设计。

（4）索-构件的连接件可按实际受力进行设计，关键节点的连接件宜按与索等强设计。

图1 钢拉杆节点详图

1.2 拉索节点形式

由于该项目拉杆与构件与结构无法直接连接，需采用专门节点构造，项目与设计开会交流，参考了国内大型钢结构工程节点方式，如中国航海博物馆钢拉杆节点、宝鸡游泳体育馆典型钢拉杆节点、宝安体育场钢拉杆节点详图、鄂尔多斯市伊金霍洛旗全民健身中心钢拉杆节点等，设计了科技馆钢拉杆新的节点形式。

拉杆连续贯通节点，与拉杆相连的H形钢梁下翼缘支撑在钢拉杆下部的支托上，上翼缘通过紧固件与拉杆固定，为减少节点变形的影响，在支托与钢梁间、拉杆与H形钢梁的套筒间均设置橡胶垫层。橡胶垫层与其余各构件间能够传递法向压力和切向摩擦力、不传递法向拉力。

1.3 拉索节点分析方法研究

1.3.1 几何模型建立方法

确定节点形式之后，组织对节点的受力进行分析。首先，利用AutoCAD软件对节点进行三维建模，H形钢梁截取至与节点外相连的连接板处，中间钢拉杆不断开，穿过H形钢梁。将AutoCAD 中的三维模型输出为“.sat”格式的文件。导入至Ansys有限元软件中。

1.3.2 单元类型选择

对钢拉杆、锚具、H 形钢梁以及橡胶垫板，选择20节点的3D实体单元进行有限元模拟。对橡胶垫板与其余构件间的接触面，由于只能够传递法向压力和切向摩擦力而不能够传递法向拉力，采用3D8节点面面元 Conta174模拟橡胶垫板的接触面，采用3D目标元Targe170模拟其余构件的接触面。

对节点，在有限元计算时，荷载施加在H形钢梁的截断面上，面荷载采用3D结构表面效应单元 Surf154。

1.3.3 网格划分

采用自由划分的方式对图4所示的几何模型进行网格划分，为了减小计算时间，将H形钢梁分为网格加密区、普通区两部分。

1.3.4 约束与荷载施加方法

根据节点实际受力情况，假定钢拉杆一端固定、一端自由，对拉杆+y方向的端部截面施加全约束，对其-y方向的端部截面不施加约束，对无约束截面施加垂直于该面并指向-y方向的预拉力。分析最不利工况下受力状况。

1.3.5 计算结果与分析

（1）节点整体：拉杆节点整体应力云图，由图可见：H形钢梁的应力值明显小于拉杆的应力值，+y方向拉杆应力值要大于-y方向拉杆的应力值（仅指下图中可见的两段拉杆），主要原因是除拉杆预拉力外，H形钢梁所受剪力均指向-y方向；故此处的应力较大。

图2 拉杆节点整体应力云图

（2）锚具与拉杆：沿yoz面将拉杆和锚具剖开，就拉杆整体而言，以y轴为中心，应力沿拉杆横截面均匀分布；对于H形钢梁套筒范围内的拉杆，以xoz面为对称平面，±y方向拉杆应力分布基本对称；

对于锚具范围内的拉杆，由于截面突变，与相邻钢拉杆段相比，应力发生突变。

（3）H形钢梁与橡胶垫板：项目通过分应力云图，发现H形钢梁截断面上下翼缘及转角等截面突变处应力较大，以yoz面为对称平面，±x方向的应力呈对称分布；最大Mises应力出现在+y方向H形钢梁截面的上翼缘加载位置，其值为265.42MPa，小于钢材的屈服强度。且这主要为应力集中和加载片的边缘效应产生的，对结构受力不产生影响。

沿yoz面将H形钢梁剖开，由切面应力云图H形钢梁上翼缘套筒边缘应力值很小，不超过5.00MPa，而下翼缘相应区域应力值较大，60MPa左右。

图3 整体应力云图

（4）变形计算结果与分析：沿yoz面将拉杆节点剖开，H形钢梁位移较大，最大可达1.98mm，-y 方向；橡胶垫板的位移值小于前者，最大可达 1.70mm，-y方向。

-y 方向橡胶垫板变形较大，而+y 方向橡胶垫板及拉杆、H形钢梁等变形很小，基本为零。结合图8，可得：H形钢梁截断面受到-y方向外荷载作用，其位移值比±y方向锚具的位移都要大，致使两者之间的橡胶垫板在+y方向脱离而-y方向受到挤压，造成+y方向橡胶垫板变形很小而-y方向橡胶垫板变形较大。

2 结语

该项目一方面通过借鉴国内大型钢结构工程的节点寻找灵感，另一方面考虑钢结构坡道与索体之间连接如采用刚性连接容易出现破坏，采用铰接可以释放结构产生应力，项目通过与设计协商成功的研发了拉索连接节点，该节点具有减震、可调节的优点，有效的解决了索体与螺旋钢结构坡道之间的连接，保证了节点的稳定，吸收变形产生的多余能量，具有良好的减震效果，有效减少节点变形，同时对于类似索体结构节点设计亦有很强的借鉴经验。