空间结构中构件与构件之间节点

yingfeng201973

随着空间结构的不断发展,结构的跨度愈来愈大，形式日趋多样，结构中构件与构件之间节点的连接方式和力学性能都日趋复杂，传统的焊接球节点、钢管相贯节点等多种节点形式已难以在构造及制作工艺上满足复杂的受力体系。节点构造的好坏，对结构的受力性能、施工工艺、工程造价都有着相当大的影响。因此，具有良好适用性的铸钢节点形式越来越受到工程界的青睐。 复杂铸钢节点的设计需要注意的一些问题进行深入的研究，并给出相关的建议，供工程设计人员参考。铸钢节点设计过程中常用的**：有限元分析**ANSYS，三维建模**Solid Works，Pro/ENGINEER以及AutoCAD对铸钢节点进行复杂节点的建模和深入的有限元分析，模拟出该节点的实际工作状况，给工程设计提供一些建议。当进行复杂节点，甚至复杂结构的分析时,在进行实体建模时会遇到一些问题，可以通过选择不同的建模**来解决它, 例如 Solid Works, Pro/ENGINEER 以及 AutoCAD 等。实体建模的好坏是工作能否得以顺利进行的关键，也是影响工程设计进度的关键。也是影响工程设计进度的关键。尽可能地简化铸钢节点的复杂程度，对于关键相交的部位应加大倒角半径，以降低应力集中程度。倒角尽可能采用等边倒角,建模少出问题，且有利于降低求解规模，以保证实际浇铸铸钢节点避免出现缺陷

节点是连接杆件、传递荷载的重要组件，是大跨空间结构成形的关键，其性能关乎着结构整体的安全与稳定。由于空间结构节点的性能和成本取决于结构材料的有效使用及构型的合理设计，因此其设计工作一直都是大跨空间结构发展的重点。根据相关研究可将空间结构节点的设计发展历程概括为三个阶段：基于经验的简单构造设计、基于经验的改进设计以及借助优化算法的找形设计。早期工程中应用的节点往往仅依靠设计师的经验进行简单的构造设计，由于结构未经过系统的计算分析，出于安全考虑工程师通常会赋给节点过量的材料，导致设计成形的节点构型不合理、造价较高等问题，如板式节点、焊接实心球节点。

随着有限元技术的发展和力学理论的完善，通过借助仿真工具计算结构的受力性能可在一定程度上提高节点的材料利用率，从而控制设计成形节点的刚度和经济成本。数值模拟计算为空间结构节点的设计方式带来了革命性转变，其与工程师经验的有机结合构成了现阶段节点普遍采用的基于经验的改进设计方法，即首先根据工程师经验设计出一个节点的初始模型，其次利用有限元技术详细计算初始模型的力学性能，然后基于数值模拟分析的计算结果对节点初始模型的材料分配和结构构型进行调整，经过多次计算和调整的循环过程才能够确定节点的最终设计形态，有必要的还需进行节点模型试验。虽然基于经验的改进设计方法在空间结构节点的设计工作中取得了不错效果，但是其周期长、能耗大，而且设计的节点模型在工程实践中常反映出自重大、几何形状优化不足以及应力集中现象明显等问题，如深圳大运会主体育场在网架的肩谷处所采用的铸钢节点最大重量达到了98.6t；青岛2014世园会主题馆树状柱的两个支管连接处和主分管交界处局部应力均超过300MPa。因此在保证空间结构节点受力性能的条件下，具有合理经济性的最佳结构设计已经变得愈发重要。

近些年，国内外学者借助优化算法对空间结构节点进行了先进设计研究，以寻求受力形式合理及轻质的节点形态，其中发展较完善和应用较多的当属拓扑优化算法。拓扑优化是一种根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，对所给设计区域内的材料进行合理布置的结构优化方法。澳大利亚皇家墨尔本理工大学的研究团队利用 BESO 对某大跨度顶棚结构的节点进行了拓扑优化设计的探索。
0 Z* @3 o' f0 e3 n" Z" d, u% B
6 T3 J) R3 o3 ^