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桐廬勵(lì)駿酒店巨型懸挑桁架鑄鋼節(jié)點(diǎn)安全性能研究

文檔作者：周小斐，周觀根，沙學(xué)勇文檔來源：浙江東南網(wǎng)架股份有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年09月27日
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2013年7月下
第42卷第14期
施工技術(shù)
CONSTRUCTION TECHNOLOGY 5
DOI：10．7672／89js2013 140005
桐廬勵(lì)駿酒店巨型懸挑桁架鑄鋼節(jié)點(diǎn)安全性能研究
周小斐，周觀根，沙學(xué)勇
(浙江東南網(wǎng)架股份有限公司，浙江杭州311209)
[摘要]巨型懸挑桁架常用于對(duì)建筑立面有較大變化的建筑結(jié)構(gòu)中。因構(gòu)造復(fù)雜，構(gòu)件的連接節(jié)點(diǎn)常使用鑄鋼節(jié)
點(diǎn)，但國(guó)內(nèi)外目前的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)這類節(jié)點(diǎn)并未提供計(jì)算公式，因此，試驗(yàn)方法或(和)有限元分析方法常作為檢驗(yàn)這
類節(jié)點(diǎn)安全性的有效方法。對(duì)于桐廬勵(lì)駿酒店巨型懸挑桁架中的鑄鋼節(jié)點(diǎn)的安全性能，采取了對(duì)樣本鑄鋼節(jié)點(diǎn)進(jìn)
行有限元分析與試驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行檢驗(yàn)，而對(duì)其他節(jié)點(diǎn)采取了有限元分析的方法進(jìn)行驗(yàn)證，該驗(yàn)證方法既能
有效保證鑄鋼節(jié)點(diǎn)的安全，又能節(jié)約資金。詳細(xì)介紹了巨型懸挑結(jié)構(gòu)鑄鋼節(jié)點(diǎn)安全性能的驗(yàn)證過程。
[關(guān)鍵詞]高層建筑；懸挑桁架；鑄鋼節(jié)點(diǎn)；有限元分析；試驗(yàn)
[中圖分類號(hào)】Tu323．4 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1002-8498(2013)14一0005．03
Safety Performance Research on the Cast Steel Joint in
Giant CantileVer Truss of Tonglu Legendale Hotel
ZhOu×iaofei，ZhOu Guan’gen，Sha Xueyong
(z^叫n增SoⅡt^∞盯sp口ce，mme co．，￡垃，訛蟛^o址，秭講口增311209，儺i凡Ⅱ)
Abstract：Giant cantilever steel tmss is often used in the building with long complex facade．Because of
the stnlcture complexity， cast 8teel is often used in the connection joints of steel members．Becau8e tllere
is no any calculation fomula for the cast steel joints at home and abroad，the experiment and FEA are也e
most eflbctiVe method in testing this kind of joints．The safbty peIfo咖ance of cast steel joints sample in
long cantileVer steel truss of Legendale Hotel is tested by fuU scale experiment and FEA method， and
other joints are tested by FEA method． The verification method not only can gu眥ntee tlle security of cast
steel joint，but also is economic． Saf宅ty perfbmance research on the cast steel joint in gi舳t cantilever
steel truss of Legendale hotel is described in detail in this paper．
Key words：tall buildings；cantileVer t11lss；cast steel joint；finite element analysis；testing
1 工程概況
勵(lì)駿酒店位于浙江省桐廬縣城富春江畔，該工
程由主樓、東西裙房及地下室組成，總建筑面積
81 000m2。其中主樓39層，高157m，為框筒結(jié)構(gòu)，外
框?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)，內(nèi)筒為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，樓層由H型
鋼梁與壓型鋼板組合樓面構(gòu)成。為滿足建筑設(shè)計(jì)
的需要，在主樓大堂入口上方設(shè)大懸挑樓層，該懸
挑樓層共5層(即2～7層，位于10．2—35．7m標(biāo)高
處)，懸挑長(zhǎng)度36m。
懸挑樓層采用巨型桁架結(jié)構(gòu)，其中主桁架上、
下弦桿和腹桿均采用焊接箱形截面，次桁架上、下
弦桿和腹桿均采用焊接H型鋼或熱軋H型鋼，桁架
節(jié)點(diǎn)為鑄鋼節(jié)點(diǎn)，共64個(gè)。
【作者簡(jiǎn)介]周小斐，工程師，E—mail：13095712523@126．com
[收稿日期】2013舶-24
2節(jié)點(diǎn)構(gòu)造
因鑄鋼節(jié)點(diǎn)在結(jié)構(gòu)中所處的位置不同，其構(gòu)造
也有所不同，出于經(jīng)濟(jì)及工期的考慮，工程僅對(duì)其
中的一個(gè)具有代表性的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了有限元分析和
試驗(yàn)驗(yàn)證，而對(duì)其他節(jié)點(diǎn)僅進(jìn)行了有限元分析，并
通過試驗(yàn)的方法來驗(yàn)證有限元分析的可靠性，進(jìn)而
達(dá)到通過有限元分析的方法來驗(yàn)證鑄鋼節(jié)點(diǎn)的安
全性的目的，試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造如圖1所示，各構(gòu)件的
幾何尺寸如表1所示。
表1節(jié)點(diǎn)幾何尺寸
Table 1 The geometry of恤e joint mm
桿件編號(hào)桿件規(guī)格長(zhǎng)度
1 方管800×500×40×40 1 300
2 方管600×500×40 x40 l 200
3 H型鋼700×300×10×25 1 100
4 方管600×500 x40×40 2 100
5 方管500 x500×40×40 1 300
6 H型鋼700×300 x10×25 800
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
6 施工技術(shù)第42卷
圖1節(jié)點(diǎn)構(gòu)造
Fig．1 Joint structure
3有限元分析及試驗(yàn)荷載
節(jié)點(diǎn)的實(shí)際內(nèi)力是非常復(fù)雜的，在每個(gè)構(gòu)件的
端部均有6個(gè)內(nèi)力，即F，，F(xiàn)，，F(xiàn)；，肘，，M，，M：，對(duì)于這
類同時(shí)承受彎、剪、扭以及軸向力的節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，目
前國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)沒有給出具體計(jì)算公式。對(duì)于
這類問題，采用有限元分析與試驗(yàn)相結(jié)合的方法是
驗(yàn)證該類節(jié)點(diǎn)安全性最常用的也是最有效的方法。
但是，目前很難用試驗(yàn)來完全模擬實(shí)際受力，一般
是通過等效荷載來模擬，本工程的節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)是通過
進(jìn)行軸向加載試驗(yàn)?zāi)M的，根據(jù)節(jié)點(diǎn)受力的等效平
衡原理，各桿件的受力需做平衡處理。試驗(yàn)規(guī)程規(guī)
定最終的加載值=標(biāo)準(zhǔn)值×1．35×1．3，考慮到實(shí)驗(yàn)
室現(xiàn)有的條件，而且是根據(jù)最不利的應(yīng)力分布來等
效荷載標(biāo)準(zhǔn)值，因此最終加載值=等效后荷載標(biāo)準(zhǔn)
值×1．35，荷載值如表2所示。
表2原荷載及最終加載
Table 2 The original load aⅡd ultimate Ioad
注：，v為釉力；y為剪力；jI，為彎矩
4節(jié)點(diǎn)有限元分析
4．1有限元分析模型
采用通用有限元軟件ANSYS對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限
元分析，為精確模擬其受力性能，采用三維實(shí)體單
元(Solid95)進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，?jié)點(diǎn)的分析模型網(wǎng)格劃
分如圖2所示。約束桿件1和桿件2的位移，使其
在加載過程中被動(dòng)受荷。施加的荷載為等效軸向
荷載，荷載值為表2中的最終加載值。
4．2有限元分析結(jié)果
圖3a為節(jié)點(diǎn)在等效荷載作用下的變形云圖，圖
3b，3c分別為等效荷載作用下的第一、第三主應(yīng)力
圖2有限元計(jì)算模型
Fig．2 The nnite element caIculaUon mOdeI
云圖。從應(yīng)力云圖可以看出，在一些構(gòu)件的端部端
面坡口處出現(xiàn)了高應(yīng)力現(xiàn)象，主要由以下原因引
起：①試驗(yàn)荷載比實(shí)際工況荷載大；②該區(qū)域?yàn)榧?
載點(diǎn)或邊界位置。在實(shí)際試驗(yàn)中，該部位采取了加
強(qiáng)措施(加設(shè)連接帽)，能夠有效地降低該區(qū)域高應(yīng)
力現(xiàn)象，構(gòu)件端部坡口不會(huì)在試驗(yàn)中破壞。根據(jù)有
限元分析結(jié)果可得出以下結(jié)論。
母奇
a變形b等效荷載作用下第一主應(yīng)力
__^__7 H 。：1‘r ¨44、M【3 ：、1、
x4{c： fI【，～ ，一一k1 ：{41一q x1，
c等效荷載作用下第三主應(yīng)力
圖3計(jì)算結(jié)果
Fig．3 Calculation resuIts
1)在整個(gè)加載過程中，支管相交區(qū)域的外側(cè)應(yīng)
力較大，局部有應(yīng)力集中，遠(yuǎn)離交匯區(qū)域的應(yīng)力水
平較低。應(yīng)力分布總體平緩，節(jié)點(diǎn)區(qū)域沒有出現(xiàn)大
的變形。
2)在設(shè)計(jì)荷載作用下，試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)力峰
值已超過材料的屈服強(qiáng)度，但屈服區(qū)域很少，只是
集中在個(gè)別邊界點(diǎn)處，絕大部分區(qū)域的應(yīng)力水平都
在彈性范圍內(nèi)。
3)試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)各支管相貫線倒角附近應(yīng)力水平
明顯大于其他截面的應(yīng)力，呈現(xiàn)出應(yīng)力集中的現(xiàn)
象，但仍處于彈性范圍內(nèi)，滿足結(jié)構(gòu)安全要求。
5節(jié)點(diǎn)足尺試驗(yàn)
5．1加載裝置
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
周小斐等：桐廬勵(lì)駿酒店巨型懸挑桁架鑄鋼節(jié)點(diǎn)安全性能研究7
試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)在圖4所示的反力裝置中進(jìn)行試驗(yàn)，
該反力裝置外部尺寸長(zhǎng)7．3m，寬4．5m，高4m，內(nèi)部
凈空間尺寸長(zhǎng)4．012m，寬3．8m，高3．588m。反力
架設(shè)計(jì)荷載為6 000kN，在試驗(yàn)荷載作用下具有足
夠的剛度。本次試驗(yàn)采用的最大受壓千斤頂為
6 300kN，最大受拉千斤頂為4 500kN。應(yīng)變檢測(cè)采
用DH3815N靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)。
圖4 反力架
Fig．4 Reaction frame
5．2測(cè)點(diǎn)布置
測(cè)點(diǎn)應(yīng)變花的位置根據(jù)ANSYs有限元分析的
結(jié)果選取，主要粘貼在桿件根部，若桿件所受的力
較大，相應(yīng)地加密應(yīng)變花。在檢測(cè)出應(yīng)變花3個(gè)方
向的應(yīng)變之后，可以根據(jù)材料力學(xué)公式算出主應(yīng)力
的大小和方向。根據(jù)有限元分析結(jié)果，共設(shè)置60個(gè)
應(yīng)變花(180個(gè)測(cè)點(diǎn))，其在試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)上的分布位置
如圖5所示。
l
1 i I __-_．
2 I
●一l
-
-
- 3
-
-I
2 I
2
圓
4
bl—l c 2—_2
圖5測(cè)點(diǎn)布置
Fig．5 LayOut Of measuring points
5．3加載歷程
千斤頂與桿件的連接是通過連接帽實(shí)現(xiàn)的，千
斤頂施加的荷載通過連接帽的加勁肋與端頭的連
接焊縫傳至桿件各個(gè)面上，而不是通過桿件端部直
接傳遞荷載。這樣可以避免在各個(gè)節(jié)點(diǎn)端面坡口
處的應(yīng)力集中，避免構(gòu)件端部坡口在試驗(yàn)中破壞。
對(duì)節(jié)點(diǎn)采用分級(jí)加載方案。分5級(jí)加載，3級(jí)
卸載，每一級(jí)加載都要使節(jié)點(diǎn)受力平衡。在加載之
前，首先將節(jié)點(diǎn)固定在反力架上。由于節(jié)點(diǎn)所受的
力在一個(gè)平面上，根據(jù)節(jié)點(diǎn)雙向力的平衡，使1，2兩
個(gè)方向的桿件固定于反力架上，同時(shí)在節(jié)點(diǎn)下方加
一個(gè)底座以平衡節(jié)點(diǎn)的自重。保持節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定并
處于加載前的位置，1和2兩個(gè)固定桿件在其他桿
件主動(dòng)加載時(shí)處于被動(dòng)受荷的狀態(tài)。安裝完畢并
進(jìn)行正式加載前需進(jìn)行預(yù)加載，以消除反力裝置的
初始變形，同時(shí)檢驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定程度。
5．4試驗(yàn)方案論證
通過試驗(yàn)驗(yàn)證，本次足尺節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)具有以下特
點(diǎn)：①試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)空間受力且為足尺試驗(yàn)，試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)
的定位精度是試驗(yàn)成功與否的關(guān)鍵所在，在節(jié)點(diǎn)定
位過程中，采用先整體初步定位，然后局部固定，再
精確定位的方法使試驗(yàn)取得了比較理想的效果。
②加載時(shí)采用先固定某幾根桿件，然后對(duì)另外幾根
桿件施加主動(dòng)力的做法在很大程度上減少了試驗(yàn)
的誤差，避免了油缸不能同時(shí)操作的缺點(diǎn)，提高了
試驗(yàn)的精確性。③結(jié)構(gòu)的加載過程采用分級(jí)加載，
并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了預(yù)加載，消除了反力裝置的初始變
形。同時(shí)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和分析均采用了比較先
進(jìn)的手段，保證了數(shù)據(jù)的可靠性與準(zhǔn)確性。
6有限元分析與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析
6．1數(shù)據(jù)對(duì)比分析
各個(gè)考察點(diǎn)在最終試驗(yàn)荷載作用下，測(cè)得的應(yīng)
變通過計(jì)算求得第一、第三主應(yīng)力，并將該兩主應(yīng)
力與有限元分析結(jié)果進(jìn)行比較，數(shù)據(jù)比較曲線如圖
6所示。
一
塞長(zhǎng)
毯
矗
室R
翅
100
80
60
40
20
0
．20
l 4 7 1013161922252831 343740434649525558
應(yīng)變花編號(hào)
a第一主應(yīng)力
b第三主應(yīng)力
圖6試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果對(duì)比
Fig．6 ComparisOn Of testing and 6nite eIement results
(下轉(zhuǎn)第65頁(yè))
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
2013 No．14 仇銘華：超高層建筑模架技術(shù)65
準(zhǔn)無(wú)章可循，不少新制定的規(guī)范不切合實(shí)際，無(wú)法
實(shí)施，造成模架施工方式不合理，模架材料的選擇
不當(dāng)和管理不善、模架施工的安全監(jiān)督不嚴(yán)，缺乏
培訓(xùn)，管理混亂等問題。
2)加強(qiáng)對(duì)各種建筑模架標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的實(shí)施管
理和檢測(cè)監(jiān)督力度。盡管2叭0年有了《建筑施工
工具式腳手架安全技術(shù)規(guī)范》JGJ202—2010，但安全
事故還是接連不斷。設(shè)計(jì)和安全使用方面存在許
多不容忽視和急需解決的問題，普遍存在設(shè)計(jì)條件
和計(jì)算方法與具體工程偏離，安全系數(shù)偏小。特別
是機(jī)具的材質(zhì)、防墜裝置和同步檢測(cè)系統(tǒng)的制作質(zhì)
量缺乏專業(yè)監(jiān)督，受激烈市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)影響，安全可靠
性不能得到很好保證。因此需要加強(qiáng)質(zhì)量檢測(cè)監(jiān)
督和操作使用中的管理。
3)模架施工專業(yè)化問題模架施工專業(yè)化的
意義眾所周知，尤其在當(dāng)今勞務(wù)短缺、工程質(zhì)量和
工期不能確保的情況下，更需要實(shí)施模架工程專業(yè)
化承包。建議：①住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部在已下發(fā)的
《建筑業(yè)企業(yè)資質(zhì)管理規(guī)定》中補(bǔ)充設(shè)置建筑模架
工程專業(yè)。②完善項(xiàng)目承包制度，項(xiàng)目承包者必須
具有新技術(shù)實(shí)施資歷，對(duì)實(shí)施新技術(shù)的項(xiàng)目承包者
實(shí)行重獎(jiǎng)獎(jiǎng)勵(lì)，調(diào)動(dòng)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人推廣新技術(shù)的積極
性，為新型模架技術(shù)的推廣應(yīng)用提供一個(gè)良好的外
部環(huán)境。③大力發(fā)展整套模架施工技術(shù)，以利于模
架工程專業(yè)化承包。④大力發(fā)展模架施工租賃承
包業(yè)，加強(qiáng)對(duì)租賃承包單位的資質(zhì)審核和模架機(jī)具
有效檢測(cè)與監(jiān)督、不斷調(diào)整和增加新產(chǎn)品的租賃承
包，促進(jìn)模板技術(shù)進(jìn)步。
4 結(jié)語(yǔ)
20年來，我國(guó)高層與超高層建筑發(fā)展非常迅速。
當(dāng)今從超高層建筑的數(shù)量上我國(guó)算得上世界超高層
建筑建造大國(guó)，在建筑高度上也正在策劃籌建超越世
界最高建筑的摩天大樓，建筑設(shè)計(jì)的水平和建造能力
有了很大提升。但客觀地說，我國(guó)現(xiàn)代施工技術(shù)的組
織管理水平、建筑模架工程技術(shù)水平、人力資源和自
然資源的利用和環(huán)境保護(hù)等諸方面，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比
還有相當(dāng)差距，仍需不斷改進(jìn)和提高，才能適應(yīng)我國(guó)
高層與超高層快速發(fā)展的需要。
參考文獻(xiàn)：
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[2]仇銘華．北美的模架技術(shù)及其規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[J]．施工技術(shù)，
2010，39(3)：29-33．
[3] 仇銘華．論建筑鋁合金模板在綠色建筑施工中的重要地位
[c]／／第六屆全國(guó)建筑施工新技術(shù)交流會(huì)，2011．
[4] 鄒偉．鋁模板技術(shù)在深圳某超高層建筑中的應(yīng)用[J]．山西
建筑，2012(20)：90-91．
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用f J]．青島理工大學(xué)學(xué)報(bào)。2010(6)：24．30．
(上接第7頁(yè))
通過比較考察點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元分析結(jié)
果可以看出，兩者在數(shù)值變化的趨勢(shì)是比較吻合
的。由于節(jié)點(diǎn)的受力情況比較復(fù)雜(不但受壓同時(shí)
還承受拉力)，以及試驗(yàn)條件的限制，有個(gè)別點(diǎn)不能
吻合，但很大一部分?jǐn)?shù)值和ANSYs理論分析相吻
合，部分?jǐn)?shù)值與ANsYs分析的數(shù)值十分接近，說明
試驗(yàn)?zāi)軌蛘鎸?shí)地反映各個(gè)桿件的受力情況。
6．2節(jié)點(diǎn)的安全性評(píng)估及制作安裝意見
1)該試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)總體應(yīng)力水平比鑄鋼節(jié)點(diǎn)的設(shè)
計(jì)強(qiáng)度值低，變形也較小，滿足設(shè)計(jì)要求，安全性能
夠保證。
2)有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，該結(jié)
果表明有限元分析結(jié)果可作為鑄鋼節(jié)點(diǎn)是否安全
的判定依據(jù)。
3)鑄鋼節(jié)點(diǎn)加工時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制幾何尺寸的偏
差、內(nèi)外表面粗糙度、管壁厚度的不均勻分布等缺
陷，并按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，保證鑄鋼節(jié)點(diǎn)的加工質(zhì)量。
從而使鑄鋼件的受力性能具有更加安全的保障，并
且在實(shí)際安裝使用過程中能夠保證結(jié)構(gòu)的安全。
7 結(jié)語(yǔ)
當(dāng)前建筑設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜，特別是大跨度的懸挑
結(jié)構(gòu)與復(fù)雜的空間節(jié)點(diǎn)的使用已隨處可見，節(jié)點(diǎn)形狀
各式各樣，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)以及施工組織與工藝
的要求也越來越高。本文采用試驗(yàn)研究與有限元分
析相結(jié)合的方法對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)鑄鋼
節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布狀況，可以作為鑄鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的重要參
考依據(jù)，有效地解決了結(jié)構(gòu)在深化設(shè)計(jì)與施工中的此
類問題，為類似鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)與施工提供參考。
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