装配式网格结构体系的研发与思考 李雄彦 李思遥 姚弦一 薛素铎 （北京工业大学 空间结构研究中心 北京100124） 摘要：为提高中小跨度网格结构的装配化水平，提出了一种工厂预制、施工方便、可反复拆卸、承载能力可靠的新型装配式套筒丝扣节点。本文介绍了该类节点提出的思路，对其工程应用进行了可行性分析，并产生了后续研究思路和方法。 关键词：装配式网格结构、套筒丝扣节点、可行性、单层网壳 0. 概述 随着经济的发展，每年建筑活动使用的自然资源约占人类使用总量的40%，而产生的建筑垃圾占人类活动生产垃圾总量的40%，而这一情况在我国更甚[1]。因此，推动绿色建筑的发展刻不容缓。装配式结构体系，作为一种较为绿色的结构形式，可较大限度实现节约能源、保护环境和减少污染。 装配式结构体系在国外已经发展成熟并得到很好的推广，而目前在国内对于这一体系的研究，主要集中于住宅，主要包括装配式混凝土结构和装配式轻钢结构。 随着我国经济和社会水平的发展，建筑行业面临着劳动力成本增加的巨大压力，提高建筑装配化水平可有效提高建筑业的机械化水平，提升生产效率。空间网格结构具有优良的力学性能，已经广泛应用于各类工业与民用建筑，其需求也不断增加，如新型的工业建筑、物流仓储、临时性公共活动场所等。 我国学者很早便开始对于装配式网格结构进行研究，如蓝天教授曾研发出一种新型的体系——圆筒形装配式单层网壳[2]，舒赣平教授曾研究过装配式单层球面网壳[3]。但目前对于装配式网格结构的研究仍有待完善，而该体系在经济上显著的特点就是工业化程度高，通过工厂化生产提高主要构件的生产效率，从而减少现场的湿作业，简化建造程序，改善工作条件和环境，提高结构的质量。建筑工业化就是用现代工业生产方式来建造结构，用机械化手段生产定型产品。设计标准化是建筑工业化的前提条件，建筑产品如不加以定型,采取标准化设计，就无法成批生产[4]。本文对装配式网格结构标准化的关键技术问题进行了探讨和分析，提出了一种新型的节点形式，并对其进行了力学性能分析。 1. 装配式网格结构的技术问题 目前常用的网格结构节点有焊接空心球节点、螺栓球节点、轮毂式节点等形式。 焊接球节点为我国常用的焊接式网壳结构节点。该类节点受力可靠，能极有效地承受弯、压弯、拉弯等复杂受力条件，该节点主要应用于40m以下的单层球壳。其缺点是由于球节点由等厚钢板制成，在于钢管交接处应力集中明显，使球体受力不均匀。焊接球节点构造简单、加工方便、具有万向性，可以连接任意方向的杆件，同时加工造价较低。但在工程拼装中，由于存在大量的焊接，同时焊接时工件往往不能翻身，因此对焊接要求高而难度大。因此在实际施工时，焊接球节点工艺要求高、难度大、费时，施工工期较长，增加了劳动成本。相对而言，焊接球节点整体造价偏高。焊接球节点由于其施工工艺要求高、施工较为复杂，因此不易实现装配化施工。 螺栓球节点具有一定的抗弯刚度，但能力有限，一般用于双层壳及跨度较小的单层球壳当中。螺栓球节点优点是制作精度由工厂保证，现场装配快捷，工期短，有利于房屋建造周期的缩短；其构造复杂，制作费用比焊接空心球节点高，而拼装费用低。其缺点为组成节点的零件较多，增加了制造成本，高强螺栓上开槽对其受力不利，安装质量不易检查。 轮毂式节点多为铸钢件，其强度和抗弯刚度较好，国内大于30m直径的单层网壳采用这一节点形式较多。轮毂式节点当节点类型较多时，其节点的加工费用较高。而且杆端的角度变化较为复杂，精度要求高，总体造价相对较高。 空间网格结构体系简单，传力路径明确，标准化生产装配化施工的关键问题在于如何快速地实现杆件空间连接，因此节点的构造直接关系到是否可实现结构的装配化。 标准化的设计计算，首先按照杆件的位置、截面等因素进行分组，并按照应力（强度、稳定）及长细比限制，来调整每组杆件的截面。最后综合考虑计算应力比、结构安全度、构造要求、施工偏差和各种不可预见的因素，得出装配式网格结构标准化的截面尺寸[4]。 就目前国内外所应用的网格结构节点类型来看，迫切需要一种受力可靠、制作容易、成本较低及安装简便的新型节点来满足工程需要。 装配化网格结构的节点构造应满足以下要求：（1）牢固可靠，传力明确，若应用于单层壳，应具有较大的抗弯刚度；（2）构造简单合理、制作简便，安装方便；（3）用钢量省，造价低；（4）杆件、节点工厂化生产，现场施工尽可能方便，只需用螺栓连接即可。此外，若网壳节点可实现设计和制作标准化，形成标准构件，可有效减少结构节点数量，提高生产和施工的效率，有利于装配化施工。为满足节点上述要求，本文提出了一种套筒丝扣节点。 2. 套筒丝扣式节点介绍 为解决网格结构产品标准化问题，针对40m~60m跨度的网格结构，本文提出了一种新型的套筒丝扣节点。套筒节点由小型相贯铸钢接头和套筒实现网格结构杆件的空间连接，其构造如图1所示。杆件端部丝扣长度与套筒长度相同，且为铸钢接头端部丝扣长度的2倍，在安装完毕后，套筒平均分配到杆件和铸钢接头两端。套筒节点在钢结构构件连接中应用较少，但在机械机构和石油运输管道[5]等领域已有广泛应用，但在建筑钢结构中应用较少。 图1 节点构造示意图 3. 装配式网格结构节点可行性分析 文献[6]对类似空间结构节点连接形式进行了试验研究，结果表明丝扣式节点施工方便、迅速，且结构整体性较好。 为系统研究套筒式节点作为装配式网格结构节点的可行性，作者所在团队首先对单向、对接形式的套筒式节点进行了轴向拉压、偏拉、偏压数值模拟及试验研究。 3.1 对接套筒节点数值模拟及参数分析 作者所在团队首先对对接套筒节点进行数值模拟及参数分析。根据节点的对称性，通过ANSYS建立三维对称实体有限元模型，进行数值模拟，对对接型套筒节点进行不同工况下的分析计算，研究了在同一材质、管径下，杆件壁厚、螺距、螺纹扣数对节点轴向拉压力学性能的影响；分析了不同级别面荷载下节点应力变化规律；确定了荷载偏心、装配误差等因素对节点力学性能影响规律。 为便于加工，套筒节点的螺纹采用普通三角形丝扣[7]。相贯铸钢接头、套筒及杆件材料均为Q345钢，弹性模量2.06×105MPa，泊松比0.3，屈服强度345MPa。钢材采用各向同性双线性本构模型，强化模量为0.02[8-9]，丝扣接触分析时钢材—钢材静摩擦系数为0.12。 根据圆柱形套筒节点工作特点，选取套筒和杆件的八分之一作为有限元分析计算模型，同时套筒关于XY平面对称。实体模型采用SOLID185单元，接触对选择TARGE170单元、CONTA174单元[10]。 ANSYS分析时，若完全按照实际丝扣建模，由于采用螺旋曲面形式，存在大量接触问题，初步试算，计算无法收敛。为解决上述问题，基于文献[11-12]的研究成果，采用等效建模的方式，将丝扣简化为水平锯齿状。为简化模型,建立了图2所示三种模型进行对比分析，图2（a）图2（b）可模拟杆件裸露部分丝扣的影响，图2（c）模拟部分安装误差的影响。 由图2可知，模型裸露丝扣对节点承载力影响较小，仅杆件与套筒啮合的第一丝扣区域应力有所减小，减小幅度约为7% 。因此，对接丝扣节点受力分析采用图2（a）所示模型。 （a）无外伸丝扣（b）外伸丝扣（c）安装误差模型 图2 轴拉、轴压模型方案 为模拟套筒丝扣节点的工作特点，在套筒底部施加固定约束，在套筒和杆件环向施加对称约束。图3为分析偏拉、偏压节点力学性能的模型。 图3 偏拉、偏压模型方案 参数分析表明：（1）在拉压荷载作用下，杆件与套筒啮合的第一扣处的应力最大，螺纹根部的应力集中也最为严重，该位置最易发生断裂，这与螺纹连接的实际断裂情况相一致；（2）套筒节点受拉承载能力随杆件壁厚、螺距和螺纹扣数的增加而增大，但扣数超过15时，继续增加螺扣数，对承载力影响不大；（3）螺距较大时，节点抗压承载能力随杆件壁厚的增加而增大，随着螺距的增加先增大后减小。节点抗压承载力随扣数增加而增大，当螺纹扣数为10时，节点承载能力较高；（4）对接套筒节点弹性承载力为杆件强度的72.5%，符合文献[5]的研究结论：V型圆弧状螺纹的螺纹区域承载力为杆件区域的60%~75%。说明本文建立的有限元接触分析模型是正确的。 3.2 试验研究 为验证对接套筒节点数值模拟方法的准确性，节点承载能力的可靠性，基于轴向受拉、受压节点，设计了试件，进行足尺试验。节点由套筒、杆件、接头、芯棒四部分组成。芯棒作用为防止加载时试件加载端被设备夹扁，而对试验结果产生影响。 轴拉、偏拉、轴压、偏压试件破坏前后对比如图4~7所示。偏拉试验荷载偏心通过设计偏心加载端实现。为防止受压试验时发生失稳现象，试验中设计了约束端，以减小失稳可能。 图4 轴拉试件及破坏情况 图5 偏拉试件及破坏情况 图6 轴压试件及破坏情况 图7 偏压试件及破坏情况 通过设计不同类型的套筒节点拉压试件，进行轴心受拉、偏心受拉、偏拉、偏压等试验，通过试验结果与数值模拟结果对比分析，检验了套筒节点数值模拟方法的可行性、节点的承载能力。 通过验结果与数值模拟结果对比分析可得，本文套筒节点的建模、等效简化等数值模拟方法可行，且模拟结果较为准确。 3.3 节点构造优化及装配式节点介绍 由于丝扣削弱杆件截面，导致该体系无法实现强节点弱杆件的设计要求。作者所在团队尝试在杆件端部施加内衬环，以增强节点强度。图8为两种形式的节点改进方案。方案1杆件与内衬环通过槽焊缝和环形焊缝连接，方案2通过高强螺栓和环形焊缝进行连接。 (a) 方案1 (b) 方案2 图8 节点改进方案 600 面荷载 （MPa)500400300200100000.20.40.60.811.21.4Uz (mm)方案 1方案 2 图9 两种方案轴拉荷载位移曲线 图9为两种方案荷载位移曲线对比，以轴拉为例。两种方案节点承载力均可达到345MPa，方案1承载力略大于方案2，但应力集中较严重。研究表明，图8所示两种施加内衬环的节点方案，均能达到杆件与节点等强。 3.4 装配式节点构造 通过大量的数值模拟和试验研究，为了实现节点标准化设计、定型化生产及装配化施工，最终确定的节点构造方案如图10所示。 图10 装配式套筒节点构造 (a) (b) (c) 图11 节点安装过程 该节点中，杆件上未存在裸露螺纹，节点与杆件相对独立。铸钢接头及套筒部分螺纹削弱后壁厚大于杆件壁厚，以避免强度削弱。 4. 关于装配式网格结构的思考 通过前期大量的数值模拟和试验研究，作者所在团队最终确定图10所示的装配式套筒式节点的构造形式。螺纹作为常用的固定连接形式，具有一定的抗弯刚度，为半刚性节点。因此作者所在团队将尝试将套筒式节点应用在单层壳（单层球面网壳和单层柱面网壳）中，研究该类节点对壳体的承载力、稳定性及抗震性能的影响，同时提出简化的工程设计方法。 后续研究工作将重点研究以下内容： （1）通过常用有限元软件建立套筒式节点的精细化模型，研究其刚度特性。同时通过试验研究，验证数值模拟的结果。 （2）通过多尺度数值模拟的方法，基于与刚性单层壳的对比分析，研究该半刚性网壳的承载力、稳定性及抗震性能；研究在静力、动力等工况下，节点在整体网壳中的性能。 （3） 在多尺度数值模拟的基础上，对单层壳进行试验研究，以验证数值模拟的可靠性。通过多尺度数值模拟和试验研究，最终提出装配式套筒式节点在单层球壳、柱壳应用时的简化设计方法。 随着国内经济的快速发展，目前对于临时性的大跨度结构需求也不断增加，因此，装配式套筒式节点不仅可应用在永久性建筑当中，由于其装配方便、可拆卸等的优点，它也可以适用于临时性的结构，因此，该类新节点工程应用前景较为广阔。 参考文献 1. 林森,刘迅,谭凤： 产业化技术在装配式住宅中的应用研究[J]，山西建筑，2013(15):78-80. 2. 蓝天,赵基达,张永安.：圆筒形装配式单层网壳刚接节点的试验研究[A].，第七届空间结构学术会议论文集[C]，1994:620-625. 3. 杨占兴,舒赣平.：装配式单层球面网壳设计[A]，第七届全国现代结构工程学术研讨会论文集[C]，2007:306-312. 4. 罗鹏媛：装配式交错桁架结构标准化设计研究[D]，西安：长安大学,2008. 5. 周星：石油套筒螺纹连接性能仿真分析[D]，中国石油大学， 2009. 6. 王启睿，张晓忠，宋红民,等：组合272面体半球面空间结构的构建与试验研究[J]，空间结构，2013(1):10-15+64. 7. 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