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1 工程概况
北京朝阳站总建筑面积18.3万m2，结构总用钢量约13 000 t。钢屋盖采用古典京城宫殿建筑形式特征，钢结构整体轴测如图1所示。
图1 钢结构整体轴侧示意
上部采用鱼腹式造型的钢桁架屋盖结构，四周采用钢管混凝土柱支撑，中间采用V形布置的梭形斜柱支撑，较好地满足了结构造型功能和安全需求。
支撑中部钢屋盖管桁架的斜柱，其分支节点部位设置在9.800 m标高处，支节的角度为60°。由于结构复杂，关键节点部位采用铸钢节点，如斜柱的底支座V形铸钢节点、钢管混凝土柱与上部屋盖钢桁架连接铸钢节点、梭形斜柱与管桁架连接异形铸钢节点等。
梭形斜柱作为支撑构件，柱顶与屋盖钢桁架通过异形铸钢节点连接，柱底与斜混凝土柱墩通过V形铸钢节点以及抗拉型球铰支座连接，其中V形铸钢节点安装在抗震球铰支座上。
梭形斜柱与铸钢件连接关系如图2所示。
图2 梭形斜柱与铸钢件连接关系示意
2 施工阶段节点应力变形分析
2.1 节点精细模型
本研究在整体结构模型分析中选取受力较大的铸钢节点进行力学性能分析。由于北京朝阳站中的V形和异形铸钢节点形状较为不规则，难以直接在ABAQUS有限元软件中建模，因此先在SolidWorks专业三维建模软件中根据铸钢件的实际尺寸采用1∶1比例进行基础模型的建立，将其保存为SAT格式文件，然后导入ABAQUS，再设置相关参数和条件进行数值模拟分析。两种铸钢节点的三维实体图及各截面编号如图3所示。
（a） （b）
图3 两种节点三维实体图及截面编号
（a）V形铸钢节点；（b）异形铸钢节点
（1）材料本构关系。铸钢节点采用G20Mn5QT高强度低合金材料，其材料力学性能见表1。根据JGJ/T 395—2017《铸钢结构技术规程》推荐的方法，采用双折线模型，弹性模量为2.06×105 MPa，强化阶段的切线模量为弹性段弹性模量的2 %，屈服强度为360 MPa，塑性应变为0.038 8，泊松比为0.3，采用冯·米塞斯（Von Mises）屈服准则，同时考虑几何非线性。
表1 铸钢材料力学性能
（2）荷载及边界条件。在对节点进行有限元分析时，荷载主要来自桁架安装中和安装后这两个关键施工阶段。进行节点分析前，首先在ABAQUS软件中进行整体工程的安装模拟，铸钢节点所受内力可从ABAQUS结果中直接提取。在安装中施工阶段，桁架被整体提升，然后支撑在临时支撑上，梭形斜柱未进行吊装，此时桁架处于悬空状态，异形铸钢节点各截面受力提取结果见表2，V形铸钢节点仅受自身重力作用。在安装后施工阶段，梭形斜柱安装到位，已将桁架和V形铸钢节点连接起来，异形铸钢节点和V形铸钢节点各截面均产生内力。由于桁架结构杆件以受轴力为主，因此异形铸钢节点各杆端可忽略剪力及弯矩的影响。
表2 两种铸钢节点不同工况下各截面内力
（3）单元选取及网格划分。两种铸钢节点形状极不规则，难以采用六面体网格，因此选择四面体单元自由划分网格，网格尺寸为25~30 mm，对节点的杆件交汇倒角处进行网格局部加密处理，C3D10单元数约为33万个，异形铸钢节点的网格单元数约为27万个。
2.2 结果与分析
在实际桁架安装中和安装后这两个关键施工阶段，铸钢节点都仅受结构的自重影响。根据ABAQUS有限元模拟，两种铸钢节点在两个施工阶段的应力和变形有限元分析结果如下。
2.2.1 应力结果分析
在安装中施工阶段，异形铸钢节点的最大应力值为42.77 MPa，最大应力出现在截面1号固定端的外边缘，其余部分应力值均较小，同时各杆件交汇区域存在几何突变，出现明显的应力集中现象。
在安装后施工阶段，梭形斜柱下部V形铸钢节点的最大应力值为15.98 MPa，最大应力出现在支管管口外边缘，其余部分应力值均较低，杆件交汇处由于存在光滑的倒角，使应力传递更加合理，不容易出现应力集中现象。异形铸钢节点的最大应力值为45.92 MPa，最大应力出现在分支管6和分支管7与主管的交汇区域，该区域几何突变较大，导致该区域及附近具有明显的应力集中现象，其他铸钢管区域的应力水平较低。由此可见，在屋盖桁架结构的两个关键施工过程中，V形和异形铸钢节点的整体弹性应力水平较小，节点受力合理且有很大的安全冗度。
2.2.2 变形结果分析
在安装中施工阶段，屋盖桁架结构的异形铸钢节点的最大变形值为0.2 mm，最大变形位于节点支管2管口加载面处，且节点整体变形量左部分大于右部分。
在安装后施工阶段，各支管截面由于受轴力及弯矩组合作用，V形铸钢节点的最大变形发生在加载面管口外边缘处，最大变形值为0.095 mm，远离加载面的部分变形值更小；异形铸钢节点的最大变形值为0.073 mm，最大变形位于节点支管5管口加载面处。
安装后施工阶段节点最大变形量比工安装中施工阶段的小，原因是安装后施工阶段结构的梭形斜柱已安装完成，此时异形铸钢节点存在竖向支撑，结构整体的下坠趋势得到缓解，因此节点变形量相应减小。各施工阶段铸钢节点的整体变形量均较小，节点安全性较高。
3 铸钢节点极限承载力与影响因素
3.1 极限承载力与破坏形态
若只进行节点的线弹性分析，则无法判断节点发生极限破坏时的应力和变形分布情况及安全储备，因此，需要进一步研究铸钢节点进入塑性后的工作状态和破坏机理。铸钢节点承载力应按承载能力极限状态计算，承载能力极限状态包括铸钢节点的强度破坏、局部稳定破坏和因过度变形不适合继续承载而破坏。
本研究以位移为加载控制条件来探究两种铸钢节点的极限承载力。两种铸钢节点的荷载–位移曲线如图4所示，从曲线可以看出，拐点过后，节点的刚度开始逐渐减小，并认为节点的荷载–位移曲线中刚度首次减小为初始刚度的10 %所对应的荷载为极限承载力，即对V形铸钢节点以3.95倍设计荷载和对异形铸钢节点以4.14倍设计荷载时，两种节点分别丧失承载能力，达到极限破坏状态，且满足JGJ/T 395—2017《铸钢结构技术规程》要求的节点极限载力应不小于设计荷载的3倍。
（a）
（b）
图4 V形和异形铸钢节点荷载–位移曲线
（a）V形铸钢节点；（b）异形铸钢节点
极限状态下，随着位移不断增加，铸钢节点从开始进入塑性屈服状态到破坏，各杆件节点交汇处应力集中现象明显，最终V形铸钢节点主管1号根部全截面发生屈曲破坏，异形铸钢节点支管5号全截面发生屈曲破坏。
3.2 承载力参数影响分析
由于铸钢管径、铸钢管壁厚、各杆件交汇处的倒角半径等是影响铸钢节点承载力及力学性能的主要因素，因此在研究北京朝阳站两种典型节点的极限性能时，主要考虑各铸钢管的壁厚及倒角半径，在综合考虑各种非线性的条件下分析其影响规律。
（1）不同壁厚的影响。同时改变两种铸钢节点各杆件的壁厚，边界条件及网格尺寸相同，以位移为加载控制条件，两种节点极限承载力在不同壁厚参数下的变化趋势如图5所示。由曲线变化趋势可知，两种铸钢节点的壁厚减小时，节点极限承载力相应呈现降低的趋势；两种铸钢节点的壁厚增大时，节点极限承载力相应呈现提高的趋势。对于V形铸钢节点，减小壁厚对节点极限承载力的影响作用大于增大壁厚；对于异形铸钢节点，减小壁厚和增大壁厚对节点极限承载力的影响作用相当。
（a）
（b）
图5 不同壁厚铸钢节点荷载–位移曲线
（a）V形铸钢节点；（b）异形铸钢节点
（2）不同倒角半径的影响。为探究节点各杆件交汇处倒角半径的影响，考虑不同的数值模型，保证参数模型之间仅倒角半径不同，设置相同的加载条件和边界条件，经过有限元分析后，两种节点极限承载力在不同倒角半径参数下的变化趋势如图6所示。由曲线变化趋势可知，增大倒角半径可以提高两种铸钢节点的极限承载力，相反，减小倒角半径导致节点极限承载力降低，但影响作用不大，尤其是对于V形铸钢节点，改变倒角半径几乎对节点的极限承载力无影响。
（a）
（b）
图6 不同倒角半径铸钢节点荷载–位移曲线
（a）V形铸钢节点；（b）异形铸钢节点
4 逆作施工安装技术
北京朝阳站钢屋盖桁架结构具有跨度大、悬挑大和吨位大等特点，而且施工交叉作业较多，给现场结构组装增加了难度，且作业风险系数高。采用传统的顺施工安装方案先进行柱底铸钢件及球形抗震支座安装施工，其次进行梭形斜柱的吊装安装，再进行上部屋盖结构的安装。对上部屋盖结构的安装可以采用标高处空中拼装，也可以采用地面拼装再提升安装，前者，施工工序烦琐，而后者会导致柱底部焊接好的超长超重梭形斜柱顶部由于无安全可靠的固定措施而发生大位移倾斜。另外，地面拼装区域与梭形斜柱存在重叠区域，并且提升路径沿着斜柱，定位精度要求高，施工难度大。
出于安全要求及工期方面的考虑，根据本工程梭形斜柱的特征，充分利用大空间屋盖结构区域拼装累计提升的施工方法的优点，同时减少高空焊接作业量、提高大型机械工作效率、节省施工工期，本工程最终优化选择梭形斜柱逆作施工的安装方案。即首先进行上部鱼腹管桁架屋盖结构的整体提升，屋盖提升到位后进行梭形斜柱吊装。斜柱吊装前首先需要安装柱底的抗震支座以及V形铸钢节点，最后与柱顶、柱底的铸钢件合龙安装。抗震支座安装后，通过卡码确保支座的精确位置，保证后续吊装的斜柱只受轴向内力，临时卡码在完成斜柱焊接连接后拆除。逆作施工安装方案如图7所示。逆施工安装技术方案减少了高空组装量、焊接量，降低了作业风险系数，解决了钢屋盖整体桁架结构与梭形斜柱之间整体对接局部的难题，解决了双向双倾斜梭形斜柱提前安装不易临时固定的难题。
图7 逆作施工安装方案示意
5 结论
铸钢节点由于其诸多优良特性，越来越多地被应用在大跨度空间结构中。通过对北京朝阳站钢结构工程项目中关键部位的两种铸钢节点进行数值模拟以及对施工安装技术进行分析探讨，可以得出以下结论。
（1）有限元分析结果表明，两种铸钢节点在逆作安装中和安装后两个关键施工阶段中整体应力和变形都较小，节点处于弹性工作状态，参数设计合理，结构安全性能符合要求。
（2）铸钢节点极限承载力分析显示，两种节点的极限承载力都满足规程中不小于3倍设计荷载的要求。
（3）铸钢节点的壁厚对其承载力有较大影响，增大壁厚会提高极限承载力，减小壁厚会降低承载力；倒角半径对极限承载力的影响不大，但在各杆件交汇处设计倒角过渡，会减少节点应力集中现象，使节点应力分布更加合理、传力更加流畅。
（4）采用因地制宜的逆作施工安装方案在很大程度上解决了钢结构桁架拼装复杂、多管贯口拼装精度不高、焊接质量难以保证等难题，同时大幅缩短了项目施工工期，为朝阳站大跨度复杂管桁架屋盖工程的顺利施工提供了保障，可为其他同类型项目提供借鉴经验。
摘自《建筑技术》2024年1月，张志秋， 韩 锋， 刘澍邦， 陈适才
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