異形曲面單層網(wǎng)殼系 統(tǒng)采光頂匯交點設計

    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°的圍護和裝飾性結(jié)構的總稱。采光頂結(jié)構形式有隱框、明框、點式，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)是采光頂中比較復雜，甚至堪稱頂尖技術的一種形式。

    整個異形網(wǎng)殼結(jié)構系統(tǒng)可分成兩大部分，即匯交點（網(wǎng)殼結(jié)構與玻璃的交點）部分及小型箱式梁部分。其中，最關鍵的部分是桿件匯交點部分，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)點中心連接所造成的設計、加工、安裝上的困難。因此，世界頂尖的專業(yè)公司均將匯交點單獨取出，進行數(shù)控加工（用數(shù)控機床工廠化生產(chǎn)），既滿足了設計構造要求，實現(xiàn)了批量生產(chǎn)，也簡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。

    米蘭Mero系統(tǒng)由兩個圓環(huán)作為所有桿件的匯交點，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)動定位的要求。之所以用兩個圓環(huán)而不是用一個，是因為同一矩形管的截面高度因空中匯交的角度不同，對應匯交的中心點接觸面高度也是變化的（圖1）。

    英國Seele系統(tǒng)是以Seele英國Montagebilder博物館項目為代表的系統(tǒng)。其匯交點的形態(tài)，是按空中桿件沿所在曲面的法線平面匯交于一點時的形態(tài)復制而成的（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)點在工程上的應用較富有代表性，如德國Gatner項目上采用的節(jié)點（圖3）。

    冬季花園工程長約150m，跨度約75m，結(jié)構形式為空間網(wǎng)殼結(jié)構，設計難度很大，施工進度壓力也大（圖4）。

    本冬季花園工程采用類似英國Seele系統(tǒng)（Montagebilder博物館項目），即通過鋼匯交節(jié)點與矩形桿件相連組成網(wǎng)殼曲面系統(tǒng)。本系統(tǒng)有一個中心匯交節(jié)點（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)點與矩形桿件相連組成的連接方式，是為了現(xiàn)場安裝能夠順利進行。現(xiàn)將工程某一匯交處分解為六根空間的桿件和一個匯交節(jié)點加以說明，見圖5。

    本工程中采光頂網(wǎng)殼結(jié)構系統(tǒng)形態(tài)，是由設計單位提供的數(shù)學模型決定的。數(shù)學模型為單線，而網(wǎng)殼結(jié)構系統(tǒng)的厚度為300mm和400mm，數(shù)學線條模型與網(wǎng)殼結(jié)構系統(tǒng)的關系，與接點桿件的制作角度、尺寸密切相關，對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)學理論線條模型與網(wǎng)殼結(jié)構系統(tǒng)之間的關系有以下3種情況：數(shù)學理論模型置于網(wǎng)殼結(jié)構（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)點厚度卻達到300mm，如以桿件上翼緣中心線匯交于一點，并與數(shù)學理論模型重合（圖6中匯交點），既能保證施工中加工定位方便，又對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，進行采光頂網(wǎng)殼結(jié)構系統(tǒng)定位。

    本節(jié)點有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，形成一個整體網(wǎng)殼。節(jié)點的三維模型，見圖7。

    從圖7的內(nèi)部構造可見，該節(jié)點中心部有鋼管加強，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，也起到了加強肋的作用。

    結(jié)構中若存在比較復雜的連接節(jié)點時，除了構造和手工驗算要符合要求外，還應采用程序來驗算，考察節(jié)點處于三向應力狀態(tài)下的承載能力。本文中對節(jié)點采用有限元分析（ANSYS分析）。

    1）計算模型

    根據(jù)方案圖中的要求，建立節(jié)點有限元實體模型。

    2）邊界及約束

    由于節(jié)點直接與結(jié)構構件相連，截取后很難確定其約束情況。最準確的做法是：截取的節(jié)點屬于結(jié)構整體的一部分，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)點的受力特點，取部分截面為約束，其他截面則被視為加載面，按計算出的內(nèi)力施加荷載，以保證節(jié)點受力變形特點與原結(jié)構基本相同。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的塑性應變，從而判斷材料是處于彈性狀態(tài)還是處于塑性狀態(tài)，并由當前的應力增量來判斷加卸載，從而算出各個迭代步的位移及應力情況。

    在ANSYS分析過程中，假定加載總時間為Tn，該時間實際反映了整個加載的荷載水平。每個荷載分步，均采用比例加載，從而追蹤節(jié)點的應力及位移的情況。在ANSYS分析給出的應力圖與位移圖中，所顯示的時間為廣義時間，其值除以總時間Tn表示為荷載因子。

    5）計算結(jié)果

    最終的匯交節(jié)點計算結(jié)果，主要的考慮是應力情況、主應力及等效應力。其中因為主應力有符號的不同，因此第一主應力與第三主應力分別代表了應力代數(shù)值的最大值與最小值；等效應力則反映了節(jié)點總體的應力水平。圖中單位為N/mm2。計算結(jié)果，見圖8。

    匯交節(jié)點的實驗室模型及其在工程現(xiàn)場安裝狀況，分別見圖9及圖10。

    從上面對異型曲面單層網(wǎng)殼系統(tǒng)采光頂匯交節(jié)點的分析可知，本文設計的匯交節(jié)點在最不利荷載工況作用下，其強度仍然在彈性范圍內(nèi)，變形很小，剛度滿足要求。因此，可以認為這種匯交節(jié)點的連接設計，可以使其滿足工程設計和實際使用的要求，桿件之間連接為剛性連接，匯交節(jié)點的剛度未發(fā)生退化。