预应力钢结构的结构节点设计

【摘要】预应力钢结构是土木工程中的一颗新星。近年来，预应力钢结构如雨后春笋般出现在世界各地，在国内外得到广泛的应用。本文从分析预应力钢结构的特点出发，对预应力空间钢结构体系进行归类，并以此为基础，探讨不同结构类型的预应力钢结构节点设计的若干问题。最后，结合个人经验对预应力钢结构的发展提出建议。

【关键词】预应力 钢结构 结构体系 节点设计

1、预应力钢结构结构的主要特点

预应力钢结构的主要特点在于能够充分利用钢材的弹性强度潜力，从而提高结构承载力、改善结构受力状态、节省钢材。相比于传统的预应力钢结构，现代创新结构体系（如索穹顶和索膜结构等）在节省材料方面的表现更加出色，由于大量采用了预应力拉索系而排除了受弯和压弯杆件，加之采用了轻质高强的围护结构（如压型钢板及人工合成膜材等），其承重结构体系变得十分轻巧、结构自重成倍或几倍地降低。另一方面，预应力可以提高结构的刚度和稳定性，调整其动力性能。

2、预应力钢结构节点设计

节点设计是预应力钢结构设计的关键环节，也是发挥其结构功能的关键所在。节点的刚度大小是影响结构是否失效的因、节点可否转动、能否调节等性质是影响结构的整体刚度水平及其预应力水平分布、结构的几何形状、结构在成型态能否顺利完成等方面的重要因素。

2.1预应力网壳结构的节点设计

预应力网壳的一般节点，当杆件采用圆管时，铰接点常常采用螺栓球节点，刚节点多采用焊接空心球节点；当采用型钢截面杆件时，可采用板节点。预应力锚固节点则采用焊接空心球的特制节点。支座节点要适应预应力的施加和符合计算简图的假定。而对于超大跨度预应力网壳结构，结合其特点主要介绍和探讨以下几种节点。

1）螺栓球节点：螺栓球节点受力明确、安装方便、结构不太复杂，又能大批量生产而被广泛应用；2）预应力节点：它是预应力高强钢索施加预应力的锚固节点，是预应力网壳极其关键的要害部分。3）法兰鼓筒节点：按常规设计，巨型结构体系的节点必然“巨型”、“超大”，在高空安装，操作极其困难。但法兰鼓筒节点既具有焊接空心球节点耗材少、重量轻、容易做大的优点，又有螺栓球节点不需现场高空焊接、安装优质快速的特点，变原来的杆件与节点单一螺栓连接为分散处理，避开了新开发超大螺栓的难题；4）橡胶支座节点：橡胶支座不仅承载力高、构造简单以及抗震性能好，而且能适应网壳支座须多向伸缩和转动的要求。

2.2 吊挂结构的节点设计

吊挂结构的节点分为拉索上节点和拉索下节点。根据采用的拉索锚具形式不同，对应于冷铸锚采用穿过式锚具，对应于热铸锚一般采用耳板连接方式。由于上节点一般都会有多根索交叉，构造复杂且受力很大，所以一般都采用铸钢节点，下节点则根据节点处钢结构的复杂程度选用铸钢或耳板节点。

2.3 张弦梁结构的节点设计

张弦梁结构的主要节点包括：1）支座节点；2）撑杆与下弦拉索节点；3）撑杆与上弦构件节点。以下结合目前已建工程介绍上述三类节点的构造。

1）支座节点：为保证结构的预应力自平衡和释放部分温度应力，张弦梁结构的两端铰支座通常设计成一端固定、一端水平滑动的筒支梁做法。通常张弦梁两端支座都支承于周边构件上，但对于水平滑动支座也有通过下设人字形摇摆柱来实现的做法；2）撑杆与下弦拉索节点：撑杆与下弦拉索之间的节点构造必须严格按照计算分析简图进行设计。对于只存在竖向撑杆的张弦梁结构，其下弦拉过节和撑杆之间必须固定，因此其节点构造应保证将索夹紧，不能滑动；3）撑杆与上弦构件节点：下弦索平面外没有支撑，因此撑杆与上弦构件的节点通常设计为平面内可以转动，平面外限制转动的节点构造形式。上海浦东国际机场的张弦梁结构该节点的具体构造见图2（a）。而广州国际会展中心采用的是锻钢节点，具体如图2（b）所示。

图2 撑杆与上弦构件节点构造图

2.4 索穹顶结构的节点设计

从索穹顶结构的拓扑关系来看，节点的连接主要是柔性索与索的连接，柔性索与刚性杆的连接。从节点与构件的装配方式看，可分为以下几点：1）索与外压环的连接：外压环一般为钢筋混凝土圈梁，索与外压环连接是将索锚固在钢筋混凝土圈梁（外压环）上，可以直接采用锚具锚固；2）索与内拉环的连接。内拉环由竖杆和环向杆组成，索与内拉环连接，可以参考采用索膜结构中索和杆的连接方式，如直接加设耳板；3）脊索、斜索和竖压杆之间的连接。脊索通过节点板锚固在节点上；斜索和竖压杆一端连接于节点。考虑到在此节点上张拉斜索，则需要有千斤顶的承压面。以下简称此节点为上节点；4）环索、斜索和竖压杆之间的连接。节点上环索通过节点板锚固；斜索和竖压杆一端通过节点板与节点相连。

2.5 弦支穹顶结构的节点设计

弦支穹顶结构中各层撑杆的上端与单层网壳相对应的各层节点单向铰接，下端由径向拉索与单层网壳的下一层节点连接，同一层的撑杆下端由环向箍索连接在一起，使整个结构形成一个完整的结构体系。

在国内的工程案例中，北京工业大学羽毛球馆、安徽大学体育馆、连云港体育中心体育馆都采用弦支穹顶结构。由于拉索一般布置成环形或者椭圆形，因此其相应的节点与张弦结构也有一定的不同，对于弦支穹顶的撑杆上节点构造与张弦结构类似，需要做成单向或双向铰；对于撑杆下节点，根据索体在此部位是否穿过采用两种构造形式，一种是耳板式，另一种是穿孔式。由于此节点受力较大且构造复杂，一般都采用铸造的方法来制作。

3、预应力钢结构的展望

预应力钢结构在我国经历了五十多年的发展，已充分显示出这类结构的众多特点和优势，并将成为空间结构发展的一种新趋向。因此，笔者认为今后的预应力钢结构还应进行以下几个方面的深入研究：

3.1结构新材料的应用将进一步推动预应力钢结构的发展，因此，需紧抓研究预应力钢结构的新材料（如不锈钢、铝合金、膜材等）、新工艺、新节点，在创新上下工夫。

3.2推动预应力钢结构的施工监控与健康监测研究。预应力钢结构在施工过程中，需要通过监测结构关键截面的几何变形和应力变化，为结构施工安全提供预警。

3.3建立成熟的预应力钢结构理论体系和工程优化方法。预应力钢结构设计中充满着许多的不定变量，需要对众多的变量进行优化才能取得合理的设计参数并创造出优秀的结构体系。

参考文献

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