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1、第8卷第2期空间结构Vol.8No.22002年6月SPATIALSTRUCTURESJun.2002[文章编号]100626578(2002)0220056209圆管结构相贯节点几个设计问题的探讨丁芸孙(北京汇光建筑工程咨询事务所北京100088)[摘要]本文探讨了圆管结构相贯节点设计中的若干问题。主要内容包括:应用相贯节点的必要条件,各国钢管结构规范比较,圆管节点的特性及其加强,以及空间结构中的相贯节点。[关键词]圆钢管;相贯节点;空间相贯节点[中图分类号]TU392.3[文献标识码]A1管结构相贯节点(直接焊接)圆钢管具有较高的惯性半径及有效的抗扭截面,表面没有凹凸角
2、,外形对空气动力有利,内管封闭不易腐蚀,刚度大、运输安装费用省且建筑外形美观,因此圆管结构在国外用得不少,近年在国内也深得建筑师的喜爱。采用相贯节点不但美观而且承载力比较大,计算公式也比较成熟。如新加坡218m跨樟宜机库网架采用相贯节点,杆件受力达1500t,整个结构经济指标也比较好,因此结构师也愿采用。但根据我们的实践经验,由于相贯节点本身的特点,采用时一定要求具备必要条件,否则不但不能发挥其优越性,反而会造成一定困难。例如,我们在咸阳机库中首次在空间结构采用相贯节点,相贯节点要求外径一致,因此不同内力的杆件只能采用相同外径不同壁厚的钢管,从而使钢管备料十分困难,材料的替
3、代大大增加了用钢量,甚至超过了由于取消节点所带来的节省。圆管整个相贯线上坡口是要求变化的,而手工切割很难做,现场拼焊时到处要修坡口。空间结构两个方向受力均大,在节点处主管壁厚不够,只好在节点拼焊一段厚壁的管,并不比采用节点简单,施工困难很大。厦门太古飞机公司一期155m机库由于内力很大,焊接球不能满足要求,因此采用相贯节点。从设计角度相贯节点的计算已比较成熟,而且相贯节点只占节点总数的115%,我们又编程序画出展开线及变化的坡口角,但施工中仍发现由于钢管不圆,即使相贯线画得再好也不符合施工要求,施工中只好高空修补,从而耽误了工期,反应不好,二期机库即作了改进。[收稿日期]2
4、001212220[作者简介]丁芸孙(1929—),男,浙江湖州人,研究员,主要从事空间结构及钢结构设计与研究。562002年空间结构第2期根据我们实践,采用相贯节点必须具备一定条件才能充分发挥其优越性。从设计上我们认为空间桁架尤其变高度的空间桁架比较适合采用相贯节点。这种结构与平面结构相似,弦杆内力接近,适于采用一致的钢管。如果拉杆受力不等,采用外径相等壁厚变化的钢管备料是困难的,应该考虑采用锥形配件。国外有商品供应,并有计算方法,我国却无此配件,有的用锥头修改,所以考虑不同直径钢管的拼接也是采用相贯节点的条件。有的采用相贯节点的杆件为求美观变成弧形,此时施工单位必须具备
5、液压机在常温和加温过程中缓慢弯曲的设备,保证截面形状没有明显压扁或褶皱。两个方向受力均大的空间结构,最好避免采用相贯节点。相贯节点最关键的是相贯线焊接,由于两曲面相交,要保证焊接有45度角,坡口必须沿相贯线变化,国外均由数控切割机床自动形成不同的坡口角,一般为五维自动车床,国内也有些工厂已有此设备。相贯节点的施工单位必须具备此种设备。此外,采用相贯节点的钢管在订货时要特别严把质量关,因为不圆的钢管即使自动切割机床也不可能切出合格的坡口。2圆钢管各国规范比较我国圆钢管计算公式比较简单,很多类型的节点需要参考国外规范,因此了解与对比各国规范十分必要。目前国内外有代表性的钢管结构
6、设计规范包括:(1)美国焊接学会(AWS)规范;(2)美国石油学会(API)规范;(3)中国钢结构规范;(4)日本钢结构学会(AIJ)规范;(5)欧洲钢结构学会(EUK)规范。由于篇幅所限,具体公式及对比数据从略。大连工学院于1982—1983年研究了各国规范并筛选了309个节点数据,统计分析综合评估了公式精度、离散程度及适用范围,认为日本规范与试验符合较好且适用范围广,因此以日本规范为基础,综合API、EUK及大连工学院、同济大学两套计算结果,并结合材质焊接工艺制造水平,形成了我国规范,并使安全度与以前规范相当。美国焊接学会(AWS)、石油学会(API)规范公式是建立在冲
7、剪模型基础上的,而日本钢结构学会(AIJ)公式是建立在极限强度法基础上的。比较结果表明,AIJ及中国规范与试验值相差较小,AWS精度较差但离散程度小,安全度大,因为AWS主要用于海洋平台结构,以机械的疲劳强度为设计标准。图1572002年丁芸孙:圆管结构相贯节点几个设计问题的探讨第2期大量试验又知,支管受拉时局部变形承载力比支管受压时大。AIJ及中国规范把拉压分开是合理的,AWS把拉压统一,对于受拉节点偏于保守。为了验证上述结果,我们曾做了3榀桁架试验(见图1)。3圆管结构节点的特性与加强311节点类型圆管节点可分
