异形空心构件螺栓端板连接节点设计与制作

2012年7月下第41卷第369期施工技术

CONSTRUCTION TECHNOLOGY

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异形空心构件螺栓端板连接节点设计与制作

张博浩1，郭彦林1，赵思远1，窦超1，陈国栋

2

（1.清华大学土木工程系，北京100084； 2.浙江精工钢结构有限公司，上海200233）

［摘要］国外某高铁站屋盖钢结构的主要构件采用十字形、U 形等异形截面，主要节点均采用摩擦型高强螺栓端板连接，具有避免现场焊接、安装方便和施工快捷等优点。但由于采用内法兰连接时在端板附近要开手孔，会削弱构件在端板附近的截面尺寸，导致节点受力异常复杂。采用常规计算方法无法准确评估手孔对节点承载能力的影响，故采用考虑接触和螺栓预拉力的非线性有限元方法进行分析。对结构中3种关键螺栓端板连接进行了受力分析，

总结出节点的受力性能和破坏形式，供结构设计与施工参考。［关键词］钢结构；屋盖；高强螺栓；端板连接；接触分析；极限承载力［中图分类号］TU318

［文献标识码］A

［文章编号］1002-8498（2012）14-0037-07

Design and Fabrication of End-plate Bolted Connection Between Special-shaped Hollow Members

Zhang Bohao 1，Guo Yanlin 1，Zhao Siyuan 1，Dou Chao 1，Chen Guodong 2

（1.Department of Civil Engineering ，Tsinghua University ，Beijing 100084，China ；2.Zhejiang Jinggong Steel Building Co．，Ltd．，Shanghai

200233，China ）

Abstract ：The steel roof in a high-speed railroad station is consisted of special-shaped members ，such as cross-shaped columns and U-shaped beams．End-plate bolted connections are used in order to avoid welding and to facilitate construction．But mechanical properties of end-plate bolted connections for special-shaped members are complex very much because of web openings．Considering contact and bolt pretension in a nonlinear finite element analysis ，the ultimate strength of 3typical end-plate bolted connections in steel roof structure are analyzed ，and mechanical behaviors and failure modes of these connections are investigated．The results obtained will provide references for the structural design and construction．

Key words ：steel structures ；roofs ；high-strength bolt ；end-plate connection ；contact analysis ；ultimate bearing capacity

［收稿日期］2012-06-25［作者简介］张博浩，博士研究生，

E-mail ：zbh06@163．com 国外某高铁站由英国Foster ＆Partners 公司设计，浙江精工钢结构有限公司施工。整个高铁站钢

结构屋盖面积约10.94万m 2

，总用钢量约1.4万t 。

主要构件采用十字形、U 形等异形截面，外形复杂且弯扭构件多，加工难度较大。为避免在施工现场进行焊接，主要节点采用高强螺栓内法兰式端板连接。由于手孔大大削弱了端板附近的截面尺寸，进而影响了节点的极限承载力。

本文首先介绍了该高铁站屋盖钢结构的基本体系、节点构造以及加工方法，然后通过实体建模和接触算法，对3种关键高强螺栓端板连接节点进行了全过程受力分析。重点考察腹板手孔对节点

极限承载力的影响以及最终破坏形式，为设计与施工提供参考。1工程概况

1.1

屋盖钢结构基本体系

该高铁站屋盖可分为大厅部分和站台部分，其中大厅部分平面尺寸216m ˑ216m ，站台部分平面尺寸486m ˑ135m ，如图1所示。

高铁站钢结构由“树状”基本单元沿纵横向规律排列构成，其中大厅钢结构由60个27m ˑ27m 的基本单元（见图2a ）排成8排8列，基本单元高约30m 。站台钢结构由360个13.5m ˑ13.5m 的基本单元（见图2b ）排列成10排36列，高约9.3m 。不同位置的基本单元因幕墙连接要求、

荷载情况的不同，构造特点和板件尺寸有所差异。大厅基本单元

38施工技术第41

卷

图1

高铁站平面（单位：m ）

Fig．1

High-speed railroad station plan （unit ：m ）

可分为9类，站台基本单元可分为10类

。

图2钢结构基本单元

Fig．2

Basic unit of steel structure

1.2主要构件截面形式

大厅钢结构基本单元包括钢柱、柱头、主梁、次

梁、

边梁和拉杆等主要构件。其中钢柱为十字形对称截面，由4个U 形部分拼接组装而成，每个U 形部分包括上下翼缘板、圆弧板以及2个腹板，如图3a 所示。

钢柱柱头尺寸4709mm ˑ4709mm ˑ4405mm ，由4个异形牛腿组拼而成，如图3b 所示。牛腿的腹板存在一定程度弯扭，可视为圆锥面的一部分。下翼缘板和圆弧板组成的半圆管是曲率较大的弯曲构件，弯曲半径为3.6m

。

图3

大厅钢结构截面形式

Fig．3

Sections of steel structure members

3种梁的截面形式类似，如图3c 3e 所示，均

为由圆弧板、上下翼缘板和腹板组成的封闭式U 形截面，圆弧板和下翼缘板组成半圆管。其中主梁为变截面构件，与柱头连接处截面尺寸1430mm ˑ625mm ，沿主梁向外截面逐渐减小至940mm ˑ520mm ，次梁截面尺寸955mm ˑ（485 688）mm ˑ397mm ，边梁截面尺寸为830mm ˑ270mm 。为达到

建筑上的弧线效果，主梁、次梁和边梁的半圆管均为弯曲构件，与柱头半圆管相比其弯曲半径较大，分别为89，71.6，52m 。拉杆直径150mm ，长约12m ，通过角焊缝连接在主梁内部的加劲肋上。1.3

关键节点设计

大厅钢结构基本单元中，柱头-柱节点、柱-柱拼接节点、柱头-主梁节点均采用高强度螺栓端板连接。端板连接为内法兰式，

在构件腹板上开设若干临时手孔以方便高强螺栓的安装，最后采用M8沉头螺栓和6mm 厚封板密封临时手孔，这样竣工后高强螺栓被隐藏在结构内部，建筑造型更加美观。考虑到临时手孔的尺寸较大，封板厚度远小于构件腹板厚度，且仅通过沉头螺栓无法与构件有效连接，设计中应考虑手孔对结构截面的不利影响。

柱头与钢柱通过2个70mm 厚的端板和48个10.9级M30高强度摩擦型螺栓连接，如图4a 所示，每个分肢上布置12个螺栓。在端板之间设有1个100mm 厚造型板，其边缘向内回缩25mm ，形成建筑的凹槽效果。雨水、电力等管道布置在钢柱内部，在端板和造型板的相应位置开设5个方孔。在钢柱和柱头的每个分肢上各开设1个350mm ˑ500mm 的临时手孔，以满足螺栓安装的需要。

考虑到大厅钢结构的柱高超过14m ，为便于运输和吊装，在7.85m 高处设置1个柱-柱拼接节点，将钢柱分为两段。该节点与柱头-柱节点的形式类似，

通过70mm 厚端板和48个10.9级M30高强度摩擦型螺栓连接，

不同之处在于没有设置造型板。柱头单个分肢与主梁通过2个110mm 厚的端板和23个10.9级M30高强度摩擦型螺栓连接，如图4b 所示，在一侧腹板上开设2个临时手孔，尺寸分别为350mm ˑ350mm 和350mm ˑ330mm 。

主次梁节点如图4c 所示，次梁通过端板焊接到主梁腹板上，为避免主梁腹板受力过大，次梁上翼缘延伸至主梁中部并与主梁上翼缘板焊接，并在主次梁节点处的主梁内部设置50mm 加劲肋。拉杆通过8mm 角焊缝与主梁内部加劲肋焊接。

柱脚节点如图4d 所示，钢柱焊接在120mm 厚的柱脚底板上，底板通过72个M30地脚螺栓锚固于混凝土基础中的锚板上，

螺栓间距150mm 。在钢柱腹板上开设4个临时手孔以安装钢柱内部管道，