异形曲面单层网壳系 统采光顶汇交点设计

    采光顶是屋盖，是由屋面板与支承体组成的与水平面夹角小于75°的围护和装饰性结构的总称。采光顶结构形式有隐框、明框、点式，框架材料有钢框、铝框，外形有平面、异形曲面。其中，异形网壳系统是采光顶中比较复杂，甚至堪称顶尖技术的一种形式。

    整个异形网壳结构系统可分成两大部分，即汇交点（网壳结构与玻璃的交点）部分及小型箱式梁部分。其中，最关键的部分是杆件汇交点部分，在系统中起转向、连接、承载等决定性作用，需兼容解决空间杆件从不同方向向节点中心连接所造成的设计、加工、安装上的困难。因此，世界顶尖的专业公司均将汇交点单独取出，进行数控加工（用数控机床工厂化生产），既满足了设计构造要求，实现了批量生产，也简化了加工制作过程和安装工艺，为异形网壳系统在世界范围内推广奠定了基础。

    米兰Mero系统由两个圆环作为所有杆件的汇交点，圆环上铣有不同角度的切面，并同杆件相配合，满足杆件在空中转动定位的要求。之所以用两个圆环而不是用一个，是因为同一矩形管的截面高度因空中汇交的角度不同，对应汇交的中心点接触面高度也是变化的（图1）。

    英国Seele系统是以Seele英国Montagebilder博物馆项目为代表的系统。其汇交点的形态，是按空中杆件沿所在曲面的法线平面汇交于一点时的形态复制而成的（图2）。

    德国Gatner系统是通过板或其他部件同杆件相连，这类节点在工程上的应用较富有代表性，如德国Gatner项目上采用的节点（图3）。

    冬季花园工程长约150m，跨度约75m，结构形式为空间网壳结构，设计难度很大，施工进度压力也大（图4）。

    本冬季花园工程采用类似英国Seele系统（Montagebilder博物馆项目），即通过钢汇交节点与矩形杆件相连组成网壳曲面系统。本系统有一个中心汇交节点（带有若干不同角度的与杆件同截面的牛腿，并经加工形成精密配合面），和若干根与它连接的矩形杆件（杆件长度精确加工，并带有精加工过的配合面）组成基本单元。之所以曲面网壳系统最终采用钢汇交节点与矩形杆件相连组成的连接方式，是为了现场安装能够顺利进行。现将工程某一汇交处分解为六根空间的杆件和一个汇交节点加以说明，见图5。

    本工程中采光顶网壳结构系统形态，是由设计单位提供的数学模型决定的。数学模型为单线，而网壳结构系统的厚度为300mm和400mm，数学线条模型与网壳结构系统的关系，与接点杆件的制作角度、尺寸密切相关，对能否保证采光顶玻璃面层正常汇交更具有决定性作用。

    首先，将杆件上下翼缘的中心线定在上翼缘两块玻璃角平分线所在的平面上。数学理论线条模型与网壳结构系统之间的关系有以下3种情况：数学理论模型置于网壳结构（即杆件截面中心）1/2厚度处，或与钢杆上翼缘表面中线重合，或置于玻璃上表面交缝处。

    现以杆件截面高度均为300mm的汇交节点加以说明。由于玻璃面层离开杆件上翼缘表面仅40mm左右，而杆件和节点厚度却达到300mm，如以杆件上翼缘中心线汇交于一点，并与数学理论模型重合（图6中汇交点），既能保证施工中加工定位方便，又对采光顶玻璃面层玻璃交缝的正常汇交影响不大（图6）。

    如图6所示，玻璃交缝为正常汇交。因此，本工程在结构上采用了理论线条模型同杆件上翼缘中心线重合汇交的方法，进行采光顶网壳结构系统定位。

    本节点有6根不同高度的牛腿，所有牛腿都具有不同的分度角、仰角和扭转角。牛腿的端面必须具有较高的加工精度，使其可同杆件端面顶紧，形成一个整体网壳。节点的三维模型，见图7。

    从图7的内部构造可见，该节点中心部有钢管加强，防止塌陷。300mm高牛腿的下翼缘，其中有两条斜搭到450mm高牛腿的下翼缘，形成可靠的力传递过桥，并且斜板同腹板电焊连接，也起到了加强肋的作用。

    结构中若存在比较复杂的连接节点时，除了构造和手工验算要符合要求外，还应采用程序来验算，考察节点处于三向应力状态下的承载能力。本文中对节点采用有限元分析（ANSYS分析）。

    1）计算模型

    根据方案图中的要求，建立节点有限元实体模型。

    2）边界及约束

    由于节点直接与结构构件相连，截取后很难确定其约束情况。最准确的做法是：截取的节点属于结构整体的一部分，其约束均为弹性约束（除与支座连接外），其约束刚度应由整体刚度通过自由度凝聚来获得，但这样做难度较大。因此，本工程只能根据节点的受力特点，取部分截面为约束，其他截面则被视为加载面，按计算出的内力施加荷载，以保证节点受力变形特点与原结构基本相同。工程所取得荷载，取的是杆件在最不利工况作用下的内力。

    3）材质

    所有节点材料，均为Q345低合金钢。

    4）求解方法

    考虑到材料的非线性，在求解时采用分步增量求解的方法。增量步可以保证程序能够记录各点的塑性应变，从而判断材料是处于弹性状态还是处于塑性状态，并由当前的应力增量来判断加卸载，从而算出各个迭代步的位移及应力情况。

    在ANSYS分析过程中，假定加载总时间为Tn，该时间实际反映了整个加载的荷载水平。每个荷载分步，均采用比例加载，从而追踪节点的应力及位移的情况。在ANSYS分析给出的应力图与位移图中，所显示的时间为广义时间，其值除以总时间Tn表示为荷载因子。

    5）计算结果

    最终的汇交节点计算结果，主要的考虑是应力情况、主应力及等效应力。其中因为主应力有符号的不同，因此第一主应力与第三主应力分别代表了应力代数值的最大值与最小值；等效应力则反映了节点总体的应力水平。图中单位为N/mm2。计算结果，见图8。

    汇交节点的实验室模型及其在工程现场安装状况，分别见图9及图10。

    从上面对异型曲面单层网壳系统采光顶汇交节点的分析可知，本文设计的汇交节点在最不利荷载工况作用下，其强度仍然在弹性范围内，变形很小，刚度满足要求。因此，可以认为这种汇交节点的连接设计，可以使其满足工程设计和实际使用的要求，杆件之间连接为刚性连接，汇交节点的刚度未发生退化。