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桐庐励骏酒店巨型悬挑桁架铸钢节点安全性能研究

文档作者：周小斐，周观根，沙学勇文档来源：浙江东南网架股份有限公司		点击数：	更新时间： 2025年09月27日
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2013年7月下
第42卷第14期
施工技术
CONSTRUCTION TECHNOLOGY 5
DOI：10．7672／89js2013 140005
桐庐励骏酒店巨型悬挑桁架铸钢节点安全性能研究
周小斐，周观根，沙学勇
(浙江东南网架股份有限公司，浙江杭州311209)
[摘要]巨型悬挑桁架常用于对建筑立面有较大变化的建筑结构中。因构造复杂，构件的连接节点常使用铸钢节
点，但国内外目前的设计标准对这类节点并未提供计算公式，因此，试验方法或(和)有限元分析方法常作为检验这
类节点安全性的有效方法。对于桐庐励骏酒店巨型悬挑桁架中的铸钢节点的安全性能，采取了对样本铸钢节点进
行有限元分析与试验相结合的方法进行检验，而对其他节点采取了有限元分析的方法进行验证，该验证方法既能
有效保证铸钢节点的安全，又能节约资金。详细介绍了巨型悬挑结构铸钢节点安全性能的验证过程。
[关键词]高层建筑；悬挑桁架；铸钢节点；有限元分析；试验
[中图分类号】Tu323．4 [文献标识码]A [文章编号]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，讹蟛^o址，秭讲口增311209，傩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眦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 工程概况
励骏酒店位于浙江省桐庐县城富春江畔，该工
程由主楼、东西裙房及地下室组成，总建筑面积
81 000m2。其中主楼39层，高157m，为框筒结构，外
框为钢结构，内筒为钢筋混凝土结构，楼层由H型
钢梁与压型钢板组合楼面构成。为满足建筑设计
的需要，在主楼大堂入口上方设大悬挑楼层，该悬
挑楼层共5层(即2～7层，位于10．2—35．7m标高
处)，悬挑长度36m。
悬挑楼层采用巨型桁架结构，其中主桁架上、
下弦杆和腹杆均采用焊接箱形截面，次桁架上、下
弦杆和腹杆均采用焊接H型钢或热轧H型钢，桁架
节点为铸钢节点，共64个。
【作者简介]周小斐，工程师，E—mail：13095712523@126．com
[收稿日期】2013舶-24
2节点构造
因铸钢节点在结构中所处的位置不同，其构造
也有所不同，出于经济及工期的考虑，工程仅对其
中的一个具有代表性的节点进行了有限元分析和
试验验证，而对其他节点仅进行了有限元分析，并
通过试验的方法来验证有限元分析的可靠性，进而
达到通过有限元分析的方法来验证铸钢节点的安
全性的目的，试验节点的构造如图1所示，各构件的
几何尺寸如表1所示。
表1节点几何尺寸
Table 1 The geometry of恤e joint mm
杆件编号杆件规格长度
1 方管800×500×40×40 1 300
2 方管600×500×40 x40 l 200
3 H型钢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型钢700×300 x10×25 800
万方数据
6 施工技术第42卷
图1节点构造
Fig．1 Joint structure
3有限元分析及试验荷载
节点的实际内力是非常复杂的，在每个构件的
端部均有6个内力，即F，，F，，F；，肘，，M，，M：，对于这
类同时承受弯、剪、扭以及轴向力的节点的设计，目
前国内外相关标准没有给出具体计算公式。对于
这类问题，采用有限元分析与试验相结合的方法是
验证该类节点安全性最常用的也是最有效的方法。
但是，目前很难用试验来完全模拟实际受力，一般
是通过等效荷载来模拟，本工程的节点试验是通过
进行轴向加载试验模拟的，根据节点受力的等效平
衡原理，各杆件的受力需做平衡处理。试验规程规
定最终的加载值=标准值×1．35×1．3，考虑到实验
室现有的条件，而且是根据最不利的应力分布来等
效荷载标准值，因此最终加载值=等效后荷载标准
值×1．35，荷载值如表2所示。
表2原荷载及最终加载
Table 2 The original load aⅡd ultimate Ioad
注：，v为釉力；y为剪力；jI，为弯矩
4节点有限元分析
4．1有限元分析模型
采用通用有限元软件ANSYS对节点进行有限
元分析，为精确模拟其受力性能，采用三维实体单
元(Solid95)进行单元划分，节点的分析模型网格划
分如图2所示。约束杆件1和杆件2的位移，使其
在加载过程中被动受荷。施加的荷载为等效轴向
荷载，荷载值为表2中的最终加载值。
4．2有限元分析结果
图3a为节点在等效荷载作用下的变形云图，图
3b，3c分别为等效荷载作用下的第一、第三主应力
图2有限元计算模型
Fig．2 The nnite element caIculaUon mOdeI
云图。从应力云图可以看出，在一些构件的端部端
面坡口处出现了高应力现象，主要由以下原因引
起：①试验荷载比实际工况荷载大；②该区域为加
载点或边界位置。在实际试验中，该部位采取了加
强措施(加设连接帽)，能够有效地降低该区域高应
力现象，构件端部坡口不会在试验中破坏。根据有
限元分析结果可得出以下结论。
母奇
a变形b等效荷载作用下第一主应力
__^__7 H 。：1‘r ¨44、M【3 ：、1、
x4{c： fI【，～ ，一一k1 ：{41一q x1，
c等效荷载作用下第三主应力
图3计算结果
Fig．3 Calculation resuIts
1)在整个加载过程中，支管相交区域的外侧应
力较大，局部有应力集中，远离交汇区域的应力水
平较低。应力分布总体平缓，节点区域没有出现大
的变形。
2)在设计荷载作用下，试验节点的最大应力峰
值已超过材料的屈服强度，但屈服区域很少，只是
集中在个别边界点处，绝大部分区域的应力水平都
在弹性范围内。
3)试验节点各支管相贯线倒角附近应力水平
明显大于其他截面的应力，呈现出应力集中的现
象，但仍处于弹性范围内，满足结构安全要求。
5节点足尺试验
5．1加载装置
万方数据
周小斐等：桐庐励骏酒店巨型悬挑桁架铸钢节点安全性能研究7
试验节点在图4所示的反力装置中进行试验，
该反力装置外部尺寸长7．3m，宽4．5m，高4m，内部
净空间尺寸长4．012m，宽3．8m，高3．588m。反力
架设计荷载为6 000kN，在试验荷载作用下具有足
够的刚度。本次试验采用的最大受压千斤顶为
6 300kN，最大受拉千斤顶为4 500kN。应变检测采
用DH3815N静态应变测试系统。
图4 反力架
Fig．4 Reaction frame
5．2测点布置
测点应变花的位置根据ANSYs有限元分析的
结果选取，主要粘贴在杆件根部，若杆件所受的力
较大，相应地加密应变花。在检测出应变花3个方
向的应变之后，可以根据材料力学公式算出主应力
的大小和方向。根据有限元分析结果，共设置60个
应变花(180个测点)，其在试验节点上的分布位置
如图5所示。
l
1 i I __-_．
2 I
●一l
-
-
- 3
-
-I
2 I
2
圆
4
bl—l c 2—_2
图5测点布置
Fig．5 LayOut Of measuring points
5．3加载历程
千斤顶与杆件的连接是通过连接帽实现的，千
斤顶施加的荷载通过连接帽的加劲肋与端头的连
接焊缝传至杆件各个面上，而不是通过杆件端部直
接传递荷载。这样可以避免在各个节点端面坡口
处的应力集中，避免构件端部坡口在试验中破坏。
对节点采用分级加载方案。分5级加载，3级
卸载，每一级加载都要使节点受力平衡。在加载之
前，首先将节点固定在反力架上。由于节点所受的
力在一个平面上，根据节点双向力的平衡，使1，2两
个方向的杆件固定于反力架上，同时在节点下方加
一个底座以平衡节点的自重。保持节点的稳定并
处于加载前的位置，1和2两个固定杆件在其他杆
件主动加载时处于被动受荷的状态。安装完毕并
进行正式加载前需进行预加载，以消除反力装置的
初始变形，同时检验节点的稳定程度。
5．4试验方案论证
通过试验验证，本次足尺节点试验具有以下特
点：①试验节点空间受力且为足尺试验，试验节点
的定位精度是试验成功与否的关键所在，在节点定
位过程中，采用先整体初步定位，然后局部固定，再
精确定位的方法使试验取得了比较理想的效果。
②加载时采用先固定某几根杆件，然后对另外几根
杆件施加主动力的做法在很大程度上减少了试验
的误差，避免了油缸不能同时操作的缺点，提高了
试验的精确性。③结构的加载过程采用分级加载，
并对结构进行了预加载，消除了反力装置的初始变
形。同时，试验数据的采集和分析均采用了比较先
进的手段，保证了数据的可靠性与准确性。
6有限元分析与试验结果对比分析
6．1数据对比分析
各个考察点在最终试验荷载作用下，测得的应
变通过计算求得第一、第三主应力，并将该两主应
力与有限元分析结果进行比较，数据比较曲线如图
6所示。
一
塞长
毯
矗
室R
翅
100
80
60
40
20
0
．20
l 4 7 1013161922252831 343740434649525558
应变花编号
a第一主应力
b第三主应力
图6试验结果与有限元分析结果对比
Fig．6 ComparisOn Of testing and 6nite eIement results
(下转第65页)
万方数据
2013 No．14 仇铭华：超高层建筑模架技术65
准无章可循，不少新制定的规范不切合实际，无法
实施，造成模架施工方式不合理，模架材料的选择
不当和管理不善、模架施工的安全监督不严，缺乏
培训，管理混乱等问题。
2)加强对各种建筑模架标准和规范的实施管
理和检测监督力度。尽管2叭0年有了《建筑施工
工具式脚手架安全技术规范》JGJ202—2010，但安全
事故还是接连不断。设计和安全使用方面存在许
多不容忽视和急需解决的问题，普遍存在设计条件
和计算方法与具体工程偏离，安全系数偏小。特别
是机具的材质、防坠装置和同步检测系统的制作质
量缺乏专业监督，受激烈市场竞争影响，安全可靠
性不能得到很好保证。因此需要加强质量检测监
督和操作使用中的管理。
3)模架施工专业化问题模架施工专业化的
意义众所周知，尤其在当今劳务短缺、工程质量和
工期不能确保的情况下，更需要实施模架工程专业
化承包。建议：①住房和城乡建设部在已下发的
《建筑业企业资质管理规定》中补充设置建筑模架
工程专业。②完善项目承包制度，项目承包者必须
具有新技术实施资历，对实施新技术的项目承包者
实行重奖奖励，调动项目负责人推广新技术的积极
性，为新型模架技术的推广应用提供一个良好的外
部环境。③大力发展整套模架施工技术，以利于模
架工程专业化承包。④大力发展模架施工租赁承
包业，加强对租赁承包单位的资质审核和模架机具
有效检测与监督、不断调整和增加新产品的租赁承
包，促进模板技术进步。
4 结语
20年来，我国高层与超高层建筑发展非常迅速。
当今从超高层建筑的数量上我国算得上世界超高层
建筑建造大国，在建筑高度上也正在策划筹建超越世
界最高建筑的摩天大楼，建筑设计的水平和建造能力
有了很大提升。但客观地说，我国现代施工技术的组
织管理水平、建筑模架工程技术水平、人力资源和自
然资源的利用和环境保护等诸方面，与发达国家相比
还有相当差距，仍需不断改进和提高，才能适应我国
高层与超高层快速发展的需要。
参考文献：
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[J]．施工技术，2012，4l(6)：43_47．
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[3] 仇铭华．论建筑铝合金模板在绿色建筑施工中的重要地位
[c]／／第六届全国建筑施工新技术交流会，2011．
[4] 邹伟．铝模板技术在深圳某超高层建筑中的应用[J]．山西
建筑，2012(20)：90-91．
[5] 韩亮．铝模板技术在新加坡shenton w8y超高层建筑中的应
用f J]．青岛理工大学学报。2010(6)：24．30．
(上接第7页)
通过比较考察点的试验数据与有限元分析结
果可以看出，两者在数值变化的趋势是比较吻合
的。由于节点的受力情况比较复杂(不但受压同时
还承受拉力)，以及试验条件的限制，有个别点不能
吻合，但很大一部分数值和ANSYs理论分析相吻
合，部分数值与ANsYs分析的数值十分接近，说明
试验能够真实地反映各个杆件的受力情况。
6．2节点的安全性评估及制作安装意见
1)该试验节点总体应力水平比铸钢节点的设
计强度值低，变形也较小，满足设计要求，安全性能
够保证。
2)有限元计算结果与试验结果基本一致，该结
果表明有限元分析结果可作为铸钢节点是否安全
的判定依据。
3)铸钢节点加工时，应严格控制几何尺寸的偏
差、内外表面粗糙度、管壁厚度的不均匀分布等缺
陷，并按照相关标准，保证铸钢节点的加工质量。
从而使铸钢件的受力性能具有更加安全的保障，并
且在实际安装使用过程中能够保证结构的安全。
7 结语
当前建筑设计越来越复杂，特别是大跨度的悬挑
结构与复杂的空间节点的使用已随处可见，节点形状
各式各样，对钢结构节点的设计以及施工组织与工艺
的要求也越来越高。本文采用试验研究与有限元分
析相结合的方法对节点进行分析，能准确地预测铸钢
节点应力分布状况，可以作为铸钢节点设计的重要参
考依据，有效地解决了结构在深化设计与施工中的此
类问题，为类似钢结构深化设计与施工提供参考。
参考文献：
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