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摘 要 ：随着建筑形式的多样化，索结构因其轻盈的造型赢得建筑师的青睐，应用形式也多种多样。本工程通过参考国内大型 典型节点形式，结合工程本身节点受力特点，依照索结构节点设计构造应尽量简单，并做到传力路线明确、确保安全并便于制作 安装的要求，通过构想建立几何模型，通过有限元软件选择计算单元类型、划分网格、施加约束与荷载后计算分析，保证了日照 市科技馆所用拉索节点安全可靠， 对该类型节点的设计提供参考。
关键词 ：拉索节点 ；减震可调式 ；分段式钢拉索
索结构作为现代大跨度建筑结构的主要形式之一，已在国 内外大型工程项目中得到广泛应用。建筑索结构在我国的应用 已有数十年历史，近十几年来，它得到了迅速的发展和大量的 推广应用。索结构节点在索结构施工中尤为重要，其一直作为 影响索结构施工安全与质量的重要因素，通过对国内大量的索 结构工程的连接节点的深入研究借鉴，成功的研制出悬挂索坡 道节点。
某项目屋盖采用钢桁架结构，地面以上观景螺旋坡道采用 索体悬挂结构， 项目采用索结构固定室外螺旋坡道， 索体为钢拉 杆，。该悬挂拉索结构不同于一般索结构，除两端张拉固定外， 拉索中间节点还需要支撑坡道钢梁，为保证实际施工拉锁施工 质量， 项目决定采用分段式钢拉索， 另外拉索钢坡道无法直接相 连，需采用专门的构造节点将两端钢拉索与钢坡道三者之间连 接。这样拉索除在索中节点位置承受坡道竖向集中荷载， 拉索节 点还要承受坡道横向荷载，并需要一定的刚度以满足水平变形 要求。需要对悬挂坡道拉索的节点进行细致的受力研究。
1 研究概况
1.1 索体连接节点设计原则
索体与其它构件或结构无法直接相连，需采用专门的节点 构造。目前主要通过在拉索端头设置连接环或螺杆连接件等方 式与主体结构连接。实际工程中的节点构造需考虑制作工艺和 安装的要求， 节点的刚度、嵌固能力等有时难以达到与计算假定 一致，所以在结构分析和设计时应考虑到节点刚度或变形的影 响。拉索节点的设计应遵循以下原则。
（1）索 - 索 - 构件连接应尽量对中、无偏心。
（2）索的连接应确保索不能滑动。
（3）索 - 索的连接件按与索等强设计。
（4）索 - 构件的连接件可按实际受力进行设计，关键节点的连接件宜按与索等强设计。
1.2 拉索节点形式
由于该项目拉杆与构件与结构无法直接连接，需采用专门 节点构造，项目与设计开会交流，参考了国内大型钢结构工程节点方式，如中国航海博物馆钢拉杆节点、宝鸡游泳体育馆典 型钢拉杆节点、宝安体育场钢拉杆节点详图、鄂尔多斯市伊金 霍洛旗全民健身中心钢拉杆节点等，设计了科技馆钢拉杆新的 节点形式。
拉杆连续贯通节点，与拉杆相连的H 形钢梁下翼缘支撑在 钢拉杆下部的支托上， 上翼缘通过紧固件与拉杆固定， 为减少节 点变形的影响，在支托与钢梁间、拉杆与H 形钢梁的套筒间均 设置橡胶垫层。橡胶垫层与其余各构件间能够传递法向压力和 切向摩擦力、不传递法向拉力。
1.3 拉索节点分析方法研究
1.3.1 几何模型建立方法
确定节点形式之后，组织对节点的受力进行分析。首先，利 用AutoCAD 软件对节点进行三维建模，H 形钢梁截取至与节 点外相连的连接板处，中间钢拉杆不断开，穿过 H 形钢梁。将 AutoCAD 中的三维模型输出为“.sat”格式的文件。导入至Ansys 有限元软件中。
1.3.2 单元类型选择
对钢拉杆、锚具、H 形钢梁以及橡胶垫板，选择 20 节点的 3D 实体单元进行有限元模拟。对橡胶垫板与其余构件间的接触 面，由于只能够传递法向压力和切向摩擦力而不能够传递法向 拉力，采用 3D8 节点面面元 Conta174 模拟橡胶垫板的接触面， 采用 3D 目标元Targe170模拟其余构件的接触面。
对节点，在有限元计算时，荷载施加在H 形钢梁的截断面 上，面荷载采用 3D 结构表面效应单元 Surf154。
1.3.3 网格划分
采用自由划分的方式对图 4 所示的几何模型进行网格划 分，为了减小计算时间，将 H 形钢梁分为网格加密区、普通区 两部分。
1.3.4 约束与荷载施加方法
根据节点实际受力情况，假定钢拉杆一端固定、一端自由， 对拉杆 +y 方向的端部截面施加全约束，对其 -y 方向的端部截面 不施加约束，对无约束截面施加垂直于该面并指向 -y 方向的预 拉力。分析最不利工况下受力状况。
1.3.5 计算结果与分析
（1）节点整体 ：拉杆节点整体应力云图，由图可见 ：H 形 钢梁的应力值明显小于拉杆的应力值，+y 方向拉杆应力值要大 于 -y 方向拉杆的应力值（仅指下图中可见的两段拉杆），主要原 因是除拉杆预拉力外，H 形钢梁所受剪力均指向 -y 方向 ；故此 处的应力较大。
（2）锚具与拉杆 ：沿yoz 面将拉杆和锚具剖开，就拉杆整体 而言，以y 轴为中心，应力沿拉杆横截面均匀分布 ；对于H 形钢 梁套筒范围内的拉杆，以xoz 面为对称平面，±y 方向拉杆应力 分布基本对称 ；
对于锚具范围内的拉杆，由于截面突变，与相邻钢拉杆段相 比，应力发生突变。
（3）H 形钢梁与橡胶垫板 ：项目通过分应力云图，发现H 形 钢梁截断面上下翼缘及转角等截面突变处应力较大，以yoz 面为 对称平面，±x 方向的应力呈对称分布 ；最大Mises 应力出现在 +y 方向H 形钢梁截面的上翼缘加载位置，其值为265.42MPa，小 于钢材的屈服强度。且这主要为应力集中和加载片的边缘效应 产生的， 对结构受力不产生影响。
沿yoz 面将H 形钢梁剖开， 由切面应力云图H 形钢梁上翼缘 套筒边缘应力值很小，不超过 5.00MPa，而下翼缘相应区域应力 值较大， 60MPa左右。
（4）变形计算结果与分析 ：沿yoz 面将拉杆节点剖开，H 形 钢梁位移较大，最大可达 1.98mm，-y 方向 ；橡胶垫板的位移值 小于前者， 最大可达 1.70mm， -y 方向。
-y 方向橡胶垫板变形较大，而 +y 方向橡胶垫板及拉杆、H 形钢梁等变形很小，基本为零。结合图 8，可得 ：H 形钢梁截断 面受到 -y方向外荷载作用， 其位移值比 ±y方向锚具的位移都要 大，致使两者之间的橡胶垫板在 +y方向脱离而-y方向受到挤压， 造成 +y 方向橡胶垫板变形很小而 -y 方向橡胶垫板变形较大。
2 结语
该项目一方面通过借鉴国内大型钢结构工程的节点寻找灵 感，另一方面考虑钢结构坡道与索体之间连接如采用刚性连接 容易出现破坏， 采用铰接可以释放结构产生应力， 项目通过与设 计协商成功的研发了拉索连接节点， 该节点具有减震、可调节的 优点， 有效的解决了索体与螺旋钢结构坡道之间的连接， 保证了 节点的稳定，吸收变形产生的多余能量，具有良好的减震效果， 有效减少节点变形，同时对于类似索体结构节点设计亦有很强 的借鉴经验。
参考文献
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