盧立飛，高晉棟，張維廉，司 波，馬 健

(北京市建筑工程研究院有限責(zé)任公司，北京 100039)

1 工程概況

援柬埔寨國家體育場是中國政府迄今對外援建的規(guī)模最大、等級最高的體育場。體育場南北設(shè)人字形吊塔，通過斜拉索吊起東、西兩側(cè)的月牙形罩棚，吊塔后方設(shè)置背索(見圖1)。整個(gè)屋蓋結(jié)構(gòu)主體由混凝土外環(huán)梁、內(nèi)環(huán)索、徑向索桁架、谷索、斜拉索、人字形吊塔和背索組成(見圖2)，平面外穩(wěn)定構(gòu)件由交叉穩(wěn)定索和下穩(wěn)定索構(gòu)成。屋蓋平面近似圓形，南北長約306.4m、東西寬約278m，吊塔頂標(biāo)高約96.000m。

圖1 體育場三維結(jié)構(gòu)示意

圖2 體育場屋蓋索網(wǎng)示意

2 索節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼索節(jié)點(diǎn)是索網(wǎng)的連接樞紐，結(jié)構(gòu)合理性和安全性直接影響了整個(gè)索網(wǎng)使用性能，深化設(shè)計(jì)是整個(gè)索網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。而索節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)過程中，需考慮拉索與節(jié)點(diǎn)連接強(qiáng)度、構(gòu)造要求、功能要求和力學(xué)性能。同時(shí)，索結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造應(yīng)符合計(jì)算假定，做到傳力路線明確、安全并便于制作和安裝。

援柬埔寨國家體育場屋蓋索網(wǎng)結(jié)構(gòu)為多層索網(wǎng)體系，內(nèi)圈為受拉環(huán)索，環(huán)索拉力由徑向索桁架傳遞至環(huán)梁，使外環(huán)梁形成受壓環(huán)。同時(shí)，環(huán)索通過斜拉索與吊塔連接，在吊塔后方設(shè)置背索以保證吊塔受力平衡，整體結(jié)構(gòu)形式新穎，傳力路徑復(fù)雜。

本文主要針對月牙形罩棚處的索網(wǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析和研究，根據(jù)此處索網(wǎng)的拉索構(gòu)成特點(diǎn)，將索節(jié)點(diǎn)分為內(nèi)環(huán)索節(jié)點(diǎn)、徑向索桁架節(jié)點(diǎn)和谷索節(jié)點(diǎn)。

2.1 內(nèi)環(huán)索節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

內(nèi)環(huán)索作為邊界索，一般會(huì)設(shè)置多道拉索來保證整個(gè)索網(wǎng)結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性。本工程環(huán)索采用8道拉索，分上、下雙排布置。由圖3可知，環(huán)索節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)過程中，需要考慮將環(huán)索、徑向索桁架、谷索和斜拉索連接在一起。

圖3 月牙形罩棚處的索網(wǎng)(1/4)布置

由于內(nèi)環(huán)索采用多道拉索形式，而徑向索、谷索、斜拉索均采用單索形式，因此，內(nèi)環(huán)索節(jié)點(diǎn)與內(nèi)環(huán)索連接形式是內(nèi)環(huán)索節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的首要考慮因素。目前，連接形式分為索道-蓋板與節(jié)點(diǎn)-錨具2種形式，如圖4所示。

圖4 內(nèi)環(huán)索節(jié)點(diǎn)與內(nèi)環(huán)索連接形式

連接形式的選擇是以索節(jié)點(diǎn)受到的不平衡力作為主要參考標(biāo)準(zhǔn)。在索網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，各索段間由于結(jié)構(gòu)本身的限制不可避免地會(huì)產(chǎn)生不平衡力。而這種不平衡力會(huì)在施工過程中受到鋼索加工精度誤差、鋼索上標(biāo)記點(diǎn)位置誤差、索夾安裝位置誤差、多根鋼索共同作用及鋼結(jié)構(gòu)錨固點(diǎn)加工和安裝誤差等多種因素影響得到進(jìn)一步放大，對整個(gè)索網(wǎng)體系產(chǎn)生不利影響，而索節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)過程中需克服這種不平衡力。

索道-蓋板連接形式是通過索道和蓋板對拉索夾緊力所產(chǎn)生的抗滑移力來抵抗這種不平衡力。這種索節(jié)點(diǎn)具有質(zhì)量較小、安裝簡便的特點(diǎn)。因此，當(dāng)節(jié)點(diǎn)不平衡力較小時(shí)，一般選擇這種形式。而當(dāng)節(jié)點(diǎn)不平衡力較大時(shí)，需增大索夾構(gòu)造尺寸來實(shí)現(xiàn)這一作用，不僅增加了索夾制造成本，也增加了施工難度，提高了施工成本，同時(shí)危險(xiǎn)系數(shù)也會(huì)變高。在這種情況下，索節(jié)點(diǎn)選擇節(jié)點(diǎn)-錨具的連接形式，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度均較大，安全性較高。

考慮索網(wǎng)傳力特點(diǎn)，內(nèi)環(huán)索節(jié)點(diǎn)由于受到斜拉索作用力，會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)兩端環(huán)索段產(chǎn)生較大的索力差，選用索道-蓋板連接形式無法抵消此索力差，因此，選用節(jié)點(diǎn)-錨具連接形式來設(shè)計(jì)環(huán)索節(jié)點(diǎn)。為降低索網(wǎng)制作成本，分別深化設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)兩端拉索規(guī)格和連接形式，通過利用環(huán)索節(jié)點(diǎn)兩端連接相同或不同規(guī)格鋼索，在一定程度上減小節(jié)點(diǎn)和拉索質(zhì)量，降低施工難度。

內(nèi)環(huán)索節(jié)點(diǎn)在深化設(shè)計(jì)過程中，除了考慮與內(nèi)環(huán)索的連接形式，還需設(shè)置與徑向索桁架、谷索和斜拉索的連接部位。由于這3種拉索均采用單索形式，且均沿拉索軸向?qū)λ鞴?jié)點(diǎn)施加力，因此，節(jié)點(diǎn)在與拉索連接處采用耳板-銷軸形式，即此處拉索通過銷軸與環(huán)索節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，同時(shí)耳板設(shè)計(jì)尺寸和形狀還需滿足構(gòu)件安裝空間，并與施工方法相配合。

如圖5所示，選取內(nèi)環(huán)索中部、端部和不同規(guī)格內(nèi)環(huán)索過渡處各1個(gè)索節(jié)點(diǎn)作為典型代表，可以看出，不同索節(jié)點(diǎn)受到徑向索桁架、谷索和斜內(nèi)索3種拉索軸線的影響，最終設(shè)計(jì)出的節(jié)點(diǎn)形狀差異較大。此外，由于施工需要，本節(jié)點(diǎn)還在斜拉索耳板位置設(shè)置了工裝安裝孔，以滿足斜拉索與內(nèi)環(huán)索節(jié)點(diǎn)可在空中拼接安裝的需要。

圖5 內(nèi)環(huán)索節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

2.2 徑向索桁架節(jié)點(diǎn)和谷索節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

徑向索桁架和谷索、交叉穩(wěn)定索、下穩(wěn)定索共同構(gòu)成月牙形罩棚索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的主體部分，拉索連接形式較多，因此，需通過設(shè)計(jì)不同的索節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式來滿足索網(wǎng)連接要求。由于徑向索桁架和谷索主要承受豎向荷載，上面所分布的節(jié)點(diǎn)受到的不平衡力較小，其中最大索力差≤60kN。因此，索網(wǎng)結(jié)構(gòu)在深化設(shè)計(jì)過程中，將每榀徑向索桁架的上、下徑向索和外谷索及下穩(wěn)定索設(shè)計(jì)為單根通長拉索，而相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)則采用索道-蓋板結(jié)構(gòu)形式與其連接在一起。徑向索桁架和谷索布置如圖6所示。

圖6 徑向索桁架與谷索布置

由圖6可知，上、下徑向索節(jié)點(diǎn)和外谷索節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)中均采用索道-蓋板的形式分別與徑向索和谷索連接在一起。此外，徑向索桁架間布置撐桿，使上、下徑向索形成類似魚腹的形狀。在設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮撐桿對上、下徑向索的支撐力。這種情況下，節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)一般采用上、下兩半式結(jié)構(gòu)，如圖7a，7b所示，由該結(jié)構(gòu)可看出，索節(jié)點(diǎn)主體部位為主受力結(jié)構(gòu)，撐桿將壓力傳遞至索節(jié)點(diǎn)主體部位，然后再傳遞至索體。而上、下徑向索節(jié)點(diǎn)2在設(shè)計(jì)過程中需考慮同交叉穩(wěn)定索的連接形式，此處采用耳板-銷軸結(jié)構(gòu)形式將徑向索與穩(wěn)定索連接在一起(見圖7c,7d)，該連接形式具有安裝簡單和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特點(diǎn)。此外，下徑向索節(jié)點(diǎn)2在設(shè)計(jì)時(shí)，還需考慮與下穩(wěn)定索的連接形式，本工程將此處節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為上、中、下3部分，分別設(shè)置上徑向索和下穩(wěn)定索2個(gè)索道，如圖7d所示。

圖7 徑向索節(jié)點(diǎn)示意

谷索節(jié)點(diǎn)與徑向索節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)思路相似，如圖8所示。內(nèi)、外谷索相連的索節(jié)點(diǎn)采用耳板-銷軸的結(jié)構(gòu)形式，而外谷索與交叉穩(wěn)定索的連接則采用索道-蓋板與耳板-銷軸相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式。

圖8 谷索節(jié)點(diǎn)示意

為滿足工程需求，徑向索節(jié)點(diǎn)和谷索節(jié)點(diǎn)等結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)偏多樣化，在設(shè)計(jì)過程中索節(jié)點(diǎn)主體部位大部分采用半球形或圓柱形與耳板-銷軸相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，使其更小巧、簡潔和美觀。

3 索節(jié)點(diǎn)力學(xué)分析

索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)之一是利用拉索的高強(qiáng)度性能來承受荷載，因此，連接拉索的節(jié)點(diǎn)同樣需具有高強(qiáng)度性能。本工程索網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式新穎，傳力路徑復(fù)雜，而設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)也復(fù)雜多樣。尤其是處于邊界的內(nèi)環(huán)索節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)一旦失效，整個(gè)罩棚結(jié)構(gòu)將遭受整體毀滅性破壞。

選取內(nèi)環(huán)索中部節(jié)點(diǎn)、端部節(jié)點(diǎn)和不同規(guī)格內(nèi)環(huán)索過渡處節(jié)點(diǎn)作為典型索節(jié)點(diǎn)進(jìn)行受力分析。針對整個(gè)索網(wǎng)結(jié)構(gòu)分析，索節(jié)點(diǎn)主要受到來自拉索的張拉力，根據(jù)JGJ 257—2012《索結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，需保證索結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)滿足其承載力設(shè)計(jì)值不小于拉索內(nèi)力設(shè)計(jì)值的1.25～1.5倍要求。

以GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》作為參考依據(jù)，同時(shí)采用有限元法對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行受力分析并以此進(jìn)行合理優(yōu)化。通過對索節(jié)點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)度和剛度分析，得出應(yīng)力和變形分布規(guī)律，并根據(jù)該規(guī)律對模型不斷進(jìn)行局部修改優(yōu)化，減少或消除應(yīng)力集中區(qū)域，使其應(yīng)力分布更合理。模型優(yōu)化流程如圖9所示。

圖9 模型優(yōu)化流程

結(jié)合索節(jié)點(diǎn)受力方式，在有限元分析過程中，對索節(jié)點(diǎn)施加沿各拉索軸線方向的張拉力，并以相應(yīng)規(guī)格拉索內(nèi)力設(shè)計(jì)值的1.5倍作為極限設(shè)計(jì)荷載。同時(shí)，在各拉索軸線的交點(diǎn)區(qū)域施加固定約束，保證索節(jié)點(diǎn)在極限設(shè)計(jì)荷載作用下處于平衡狀態(tài)。

經(jīng)過對模型進(jìn)行多次修改優(yōu)化后，確定最終模型，分析結(jié)果如圖10～12所示。

圖10 內(nèi)環(huán)索中部節(jié)點(diǎn)有限元分析結(jié)果

圖11 內(nèi)環(huán)索端部節(jié)點(diǎn)有限元分析結(jié)果

圖12 不同規(guī)格內(nèi)環(huán)索過渡處節(jié)點(diǎn)有限元分析結(jié)果

由圖10～12可知，不同位置的內(nèi)環(huán)索節(jié)點(diǎn)雖然具有一定的形狀差異性，但應(yīng)力分布具有相似性和共同性，因此，通過參考典型節(jié)點(diǎn)的受力分析可確定內(nèi)環(huán)索其他位置的索節(jié)點(diǎn)是否處于安全狀態(tài)。

通過索網(wǎng)受力路徑分析，徑向索、谷索、斜拉索拉力通過耳板-銷軸結(jié)構(gòu)形式傳遞至索節(jié)點(diǎn)與內(nèi)環(huán)索連接部位，而內(nèi)環(huán)索則直接通過節(jié)點(diǎn)-錨具的形式將拉力傳遞至該連接部位。因此,此處連接部位需具有足夠的強(qiáng)度才能滿足索網(wǎng)結(jié)構(gòu)使用要求。由應(yīng)力云圖可知，在極限設(shè)計(jì)荷載作用下，該部位應(yīng)力均在250MPa以下。本工程以鑄鋼材料G20Mn5[5]的抗拉強(qiáng)度作為強(qiáng)度校核標(biāo)準(zhǔn)，該材料屈服強(qiáng)度為300MPa，與有限元分析所得到的結(jié)果進(jìn)行對比分析，除了耳板-銷軸孔處出現(xiàn)極小的應(yīng)力集中區(qū)域外，絕大部分區(qū)域仍處在材料的彈性使用范圍。因此，從理論上分析，節(jié)點(diǎn)在極限荷載作用下未被破壞，材料強(qiáng)度滿足使用要求，結(jié)構(gòu)安全。

此外，通過對內(nèi)環(huán)索節(jié)點(diǎn)的變形分析可知，該索節(jié)點(diǎn)在極限設(shè)計(jì)荷載作用下具有變形小、剛度大的特點(diǎn)。因此，索節(jié)點(diǎn)的剛度變形對拉索下料長度和整個(gè)索網(wǎng)結(jié)構(gòu)成型的影響極小。

4 結(jié)語

援柬埔寨國家體育場屋蓋索網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式新穎、傳力路徑復(fù)雜。因此，需利用索節(jié)點(diǎn)的多元化設(shè)計(jì)來滿足整個(gè)索網(wǎng)使用性能。

1)對索節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)時(shí)，不僅需綜合考慮索網(wǎng)傳力路線、節(jié)點(diǎn)制作和構(gòu)件安裝及節(jié)點(diǎn)使用功能等多種影響因素，還需通過對索節(jié)點(diǎn)的三維模型放樣來確保其滿足施工和使用要求。

2)完成索節(jié)點(diǎn)初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，還需對索節(jié)點(diǎn)進(jìn)行力學(xué)分析，此過程中需綜合考慮拉索與節(jié)點(diǎn)的連接強(qiáng)度、節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能及力學(xué)分析方法等因素，并根據(jù)分析結(jié)果對初設(shè)模型不斷修改和優(yōu)化，在索節(jié)點(diǎn)滿足安全使用的情況下，使結(jié)構(gòu)受力更合理。