张高明-潍坊125m摩天轮节点参数化设计分析研究

1、1潍坊潍坊125m125m摩天轮节点参数化摩天轮节点参数化设计分析研究设计分析研究中国建筑科学研究院中国建筑科学研究院2014.10.29一一、项目概况、项目概况二、十字型节点参数化设计二、十字型节点参数化设计三、十字型节点参数化有限元计算三、十字型节点参数化有限元计算四、内外弦桁架圆钢管相贯节点四、内外弦桁架圆钢管相贯节点五、稳定索与轮面网格连接节点五、稳定索与轮面网格连接节点六、斜柱与摩天轮轮盘连接的铸钢节点六、斜柱与摩天轮轮盘连接的铸钢节点七、结论七、结论一一、项目概况、项目概况二、十字型节点参数化设计二、十字型节点参数化设计三、十字型节点参数化有限元计算三、十字型节点参数化有限元计算四

2、、内外弦桁架圆钢管相贯节点四、内外弦桁架圆钢管相贯节点五、稳定索与轮面网格连接节点五、稳定索与轮面网格连接节点六、斜柱与摩天轮轮盘连接的铸钢节点六、斜柱与摩天轮轮盘连接的铸钢节点七、结论七、结论一一、项目概况、项目概况潍坊白浪河大桥潍坊白浪河大桥125m摩天轮工程是一个桥梁、摩天轮合二为一的建筑，采用摩天轮工程是一个桥梁、摩天轮合二为一的建筑，采用创新的固定圆环的结构形式，在结构上突破了传统摩天轮中间的辐条形式，轮创新的固定圆环的结构形式，在结构上突破了传统摩天轮中间的辐条形式，轮盘钢环采用流线型的外观造型体现建筑本体的优美质感。盘钢环采用流线型的外观造型体现建筑本体的优美质感。一一、项目概况

3、、项目概况二、十字型节点参数化设计二、十字型节点参数化设计三、十字型节点参数化有限元计算三、十字型节点参数化有限元计算四、内外弦桁架圆钢管相贯节点四、内外弦桁架圆钢管相贯节点五、稳定索与轮面网格连接节点五、稳定索与轮面网格连接节点六、斜柱与摩天轮轮盘连接的铸钢节点六、斜柱与摩天轮轮盘连接的铸钢节点七、结论七、结论二、十字型节点参数化设计二、十字型节点参数化设计该摩天轮工程在设计过程中，由于构成轮盘的空间圆环有规则的数学表达形该摩天轮工程在设计过程中，由于构成轮盘的空间圆环有规则的数学表达形式，所以对轮式，所以对轮面杆件及十字面杆件及十字交叉节点采用了参数化的设计方法，通过判断杆件交叉节点采用了

4、参数化的设计方法，通过判断杆件的方向和管径、壁厚等参数，根据几何关系和边界预留条件来确定节点板的参的方向和管径、壁厚等参数，根据几何关系和边界预留条件来确定节点板的参数，从而完成不同节点的设计。数，从而完成不同节点的设计。后期，对这些参数设计节点又编制了自动生成有限元模型的程序，对其进行后期，对这些参数设计节点又编制了自动生成有限元模型的程序，对其进行遍历性的有限元验算。遍历性的有限元验算。十字型节点的参数化设计十字型节点的参数化设计十字形节点的参数化设计流程如下图所示。十字形节点的参数化设计流程如下图所示。十字型节点的参数化设计十字型节点的参数化设计对轮面对轮面X形相交的杆件，首先根据形相交

5、的杆件，首先根据4根杆件所形成的根杆件所形成的4个三角形面的法线方向（图个三角形面的法线方向（图中的中的4个个Z方向），考虑杆件粗细等因素进行加权平均，得到该节点的等效法线方向方向），考虑杆件粗细等因素进行加权平均，得到该节点的等效法线方向（图中（图中Z方向），以此作为十字形节点的共轴方向。方向），以此作为十字形节点的共轴方向。十字型节点的参数化设计十字型节点的参数化设计然后根据相邻杆件与节点板的相贯线顶点差距尽量小的原则确定一个十字板的方然后根据相邻杆件与节点板的相贯线顶点差距尽量小的原则确定一个十字板的方向（如等截面杆件，则沿角平分线方向），另一个节点板与该节点板垂直。向（如等截面杆件，则

6、沿角平分线方向），另一个节点板与该节点板垂直。十字型节点的参数化设计十字型节点的参数化设计然后根据相邻杆件在一个节点板上相贯线（与面的交线有数学方程）的包络点来然后根据相邻杆件在一个节点板上相贯线（与面的交线有数学方程）的包络点来确定椭圆节点板的长轴和短轴。取最外包络点加上一半节点板厚与确定椭圆节点板的长轴和短轴。取最外包络点加上一半节点板厚与10mm的较大值的较大值来确定椭圆节点板的长轴长度和短轴长度，节点板沿共轴对称。最后，节点板的厚来确定椭圆节点板的长轴长度和短轴长度，节点板沿共轴对称。最后，节点板的厚度取与相交度取与相交4根杆件的最大壁厚相等。根杆件的最大壁厚相等。十字型节点的参数化设

7、计十字型节点的参数化设计典型十字形节点的尺寸参数如下图所典型十字形节点的尺寸参数如下图所示，示，主要主要包括两块节点板包括两块节点板的厚度，两的厚度，两块节点块节点板板的共轴长度及各自另一轴（长轴或短轴）的长度，两块椭圆形节点板的共轴方向的共轴长度及各自另一轴（长轴或短轴）的长度，两块椭圆形节点板的共轴方向及各自另一轴（长轴或短轴）的方向，相交及各自另一轴（长轴或短轴）的方向，相交4根杆件的轴线方向及长度。两个椭圆根杆件的轴线方向及长度。两个椭圆节点板对中焊接，相互垂直，与节点板对中焊接，相互垂直，与4根轮面杆件相贯焊接。根轮面杆件相贯焊接。一一、项目概况、项目概况二、十字型节点参数化设计二、

8、十字型节点参数化设计三、十字型节点参数化有限元计算三、十字型节点参数化有限元计算四、内外弦桁架圆钢管相贯节点四、内外弦桁架圆钢管相贯节点五、稳定索与轮面网格连接节点五、稳定索与轮面网格连接节点六、斜柱与摩天轮轮盘连接的铸钢节点六、斜柱与摩天轮轮盘连接的铸钢节点七、结论七、结论典型十字形节点的有限元模型如下图所示。在节点分析中，考虑轮典型十字形节点的有限元模型如下图所示。在节点分析中，考虑轮面受力的对称性，建立了轮面面受力的对称性，建立了轮面1/4的所有的所有十字形节点的有限元模型，共十字形节点的有限元模型，共计计238个。考虑到十字型节点板每一个都不一样，所以希望对所有的十个。考虑到十字型节点

9、板每一个都不一样，所以希望对所有的十字型节点都有一个有限元计算，并统计计算结果，以校核设计结果。字型节点都有一个有限元计算，并统计计算结果，以校核设计结果。三、十字型节点参数化有限元分析三、十字型节点参数化有限元分析十字型节点的参数化有限元分析十字型节点的参数化有限元分析参数准备参数准备十字板和杆件的生成十字板和杆件的生成荷载数据统计荷载数据统计计算结果的统计计算结果的统计参数准备参数准备主要需要的参数如下图：主要需要的参数如下图：十字板和杆件的生成十字板和杆件的生成十字板和杆件的生成过程如下图：十字板和杆件的生成过程如下图：荷载数据的统计荷载数据的统计为了对批量生成的有限元节点进行自动计算，

10、需要生成针对每个节点的荷载文件。为了对批量生成的有限元节点进行自动计算，需要生成针对每个节点的荷载文件。由于计算工况较多，荷载数据的筛选主要通过对每个节点的由于计算工况较多，荷载数据的筛选主要通过对每个节点的4个杆件进行强度和稳定个杆件进行强度和稳定计算，对计算结果最大的工况，选择其作为该节点针对该杆件的工况，所以计算，对计算结果最大的工况，选择其作为该节点针对该杆件的工况，所以4根杆件根杆件共选出共选出4个工况，将这个工况，将这4个工况下个工况下4根杆件的荷载作为输入条件进行根杆件的荷载作为输入条件进行计算，如下计算，如下表所示。表所示。节点工况加载节点FX(kN)FY(kN)FZ(kN)M

11、X(kN.m)MY(kN.m)MZ(kN.m)307020955.7 238.9 -167.1 11.3 -43.6 14.4 7044-699.9 182.3 -272.9 6.5 -29.0 -17.8 7043-903.0 -243.1 347.2 -8.9 -16.7 -29.1 7019648.1 -178.2 110.4 -5.7 -17.5 -11.3 计算结果的统计计算结果的统计经过计算，多数节点的计算结果是满足要求的，只需要对部分节点进行重点分析，经过计算，多数节点的计算结果是满足要求的，只需要对部分节点进行重点分析，如果要手动从如果要手动从238个节点中找出这些危险节点是相

12、当费时费力的。所以编制程序，统个节点中找出这些危险节点是相当费时费力的。所以编制程序，统计所有计算节点其十字板和各杆件的应力情况，并将其列表输出，同时输出最大应计所有计算节点其十字板和各杆件的应力情况，并将其列表输出，同时输出最大应力的位置节点，以方便查找。力的位置节点，以方便查找。编号节点号十字板最大应力节点十字板最大应力(MPa)管件最大应力节点管件最大应力(MPa)1331000 849674 1692401719 715977 148356857 899349 179 4631648 9416093 205计算结果的统计计算结果的统计对轮面所有十字形节点进行参数化建模、计算和结果统计，

13、高效率地统计和甄别了对轮面所有十字形节点进行参数化建模、计算和结果统计，高效率地统计和甄别了危险节点的位置和受力情况，对改进设计具有明确和精准的指导意义。在计算过程危险节点的位置和受力情况，对改进设计具有明确和精准的指导意义。在计算过程中发现，对于相邻杆件直径相差较大的情况，由于其在节点板上的相贯线相差较大，中发现，对于相邻杆件直径相差较大的情况，由于其在节点板上的相贯线相差较大，管壁没有对齐，因此管壁对节点板的压力引起的局部弯矩导致节点板受力较大，在管壁没有对齐，因此管壁对节点板的压力引起的局部弯矩导致节点板受力较大，在优化设计的过程中进行了改进。优化设计的过程中进行了改进。一一、项目概况、

14、项目概况二、十字型节点参数化设计二、十字型节点参数化设计三、十字型节点参数化有限元计算三、十字型节点参数化有限元计算四、内外弦桁架圆钢管相贯节点四、内外弦桁架圆钢管相贯节点五、稳定索与轮面网格连接节点五、稳定索与轮面网格连接节点六、斜柱与摩天轮轮盘连接的铸钢节点六、斜柱与摩天轮轮盘连接的铸钢节点七、结论七、结论摩天轮外弦桁架与轮面构件的连接采用相贯焊接，多数为摩天轮外弦桁架与轮面构件的连接采用相贯焊接，多数为X形节点，形节点，外弦桁架弦杆为主管，轮面构件为支管。外弦桁架弦杆为主管，轮面构件为支管。摩天轮内弦桁架与轮面构件的连接节点多数为摩天轮内弦桁架与轮面构件的连接节点多数为KK形连接节点，内

15、弦形连接节点，内弦桁架弦杆为主管，轮面构件为支管。桁架弦杆为主管，轮面构件为支管。四、内外弦桁架圆钢管相贯节点四、内外弦桁架圆钢管相贯节点外弦外弦X X形节点形节点受压支管在管节点处的承载力设计值：受压支管在管节点处的承载力设计值：受拉支管在管节点处的承载力设计值：受拉支管在管节点处的承载力设计值：25.45(1 0.81 )sinpjcXnNt f0.20.78pjpjtXcXdNNt内弦内弦KKKK形圆钢管节点形圆钢管节点K型节点，受压支管在管节点处的承载力设计值：型节点，受压支管在管节点处的承载力设计值： K型节点，受拉支管在管节点处的承载力设计值：型节点，受拉支管在管节点处的承载力设计

16、值：对对KK形节点按如下公式进行验算形节点按如下公式进行验算 取取K型节点相应值的型节点相应值的0.9倍倍0.2211.51sinpjcKndacdNt ft sinsinpjpjctKcKtNN一一、项目概况、项目概况二、十字型节点参数化设计二、十字型节点参数化设计三、十字型节点参数化有限元计算三、十字型节点参数化有限元计算四、内外弦桁架圆钢管相贯节点四、内外弦桁架圆钢管相贯节点五、稳定索与轮面网格连接节点五、稳定索与轮面网格连接节点六、斜柱与摩天轮轮盘连接的铸钢节点六、斜柱与摩天轮轮盘连接的铸钢节点七、结论七、结论摩天轮的稳定索共有摩天轮的稳定索共有12根，每侧的南北方向各有根，每侧的南北

17、方向各有3根，考虑摩天轮的根，考虑摩天轮的对称性，共有对称性，共有3类不同的连接节点。由于类不同的连接节点。由于3根稳定索从上向下的索力依根稳定索从上向下的索力依次减小，仅给出上侧和中间稳定索的计算结果。次减小，仅给出上侧和中间稳定索的计算结果。五、稳定索与轮面网格连接节点五、稳定索与轮面网格连接节点上侧稳定索连接节点上侧稳定索连接节点上侧稳定索与轮面的连接节点的有限元计算结果如下图所示，控制工况为：上侧稳定索与轮面的连接节点的有限元计算结果如下图所示，控制工况为：1.2恒荷载恒荷载+1.4Y向风荷载向风荷载+0.84降温降温30摄氏度，节点区和杆件、耳板的最大应力为摄氏度，节点区和杆件、耳板

18、的最大应力为237.5MPa，满足规范要求，最大应力位于钢索的耳孔位置。，满足规范要求，最大应力位于钢索的耳孔位置。中间稳定索连接节点中间稳定索连接节点中间稳定索与轮面的连接节点的有限元计算结果如下图所示，控制工况为：中间稳定索与轮面的连接节点的有限元计算结果如下图所示，控制工况为：1.2恒荷载恒荷载+1.4Y向风荷载向风荷载+0.84降温降温30摄氏度，节点区和杆件、耳板的最大应力为摄氏度，节点区和杆件、耳板的最大应力为204.1MPa，满足规范要求，最大应力位于钢索的耳板与下方杆件相交的位置。，满足规范要求，最大应力位于钢索的耳板与下方杆件相交的位置。一一、项目概况、项目概况二、十字型节点

19、参数化设计二、十字型节点参数化设计三、十字型节点参数化有限元计算三、十字型节点参数化有限元计算四、内外弦桁架圆钢管相贯节点四、内外弦桁架圆钢管相贯节点五、稳定索与轮面网格连接节点五、稳定索与轮面网格连接节点六、斜柱与摩天轮轮盘连接的铸钢节点六、斜柱与摩天轮轮盘连接的铸钢节点七、结论七、结论铸钢节点用于斜柱与摩天轮轮盘的连接节点。由于斜柱截面较大，铸钢节点用于斜柱与摩天轮轮盘的连接节点。由于斜柱截面较大，与众多杆件相交，采用焊接连接存在定位难度大，焊接变形难以控制，与众多杆件相交，采用焊接连接存在定位难度大，焊接变形难以控制，安装误差较大的问题，因此在该位置采用铸钢节点的连接形式。每一安装误差较

20、大的问题，因此在该位置采用铸钢节点的连接形式。每一个铸钢节点都与加劲环杆件、轮面网格杆件、加劲环内水平杆件及加个铸钢节点都与加劲环杆件、轮面网格杆件、加劲环内水平杆件及加劲外弦杆相连接。劲外弦杆相连接。六、斜柱与摩天轮轮盘连接的铸钢节点六、斜柱与摩天轮轮盘连接的铸钢节点计算设定计算设定该铸钢节点是斜柱与轮面网格的连接节点，因斜柱与加劲外弦杆有较长的相贯该铸钢节点是斜柱与轮面网格的连接节点，因斜柱与加劲外弦杆有较长的相贯线，设计中采用斜放的圆台形铸钢件连接加劲外弦杆、斜柱，其他构件与斜柱相线，设计中采用斜放的圆台形铸钢件连接加劲外弦杆、斜柱，其他构件与斜柱相贯连接，保持了构件外边齐平的设计要求。

21、节点控制工况为如下工况：贯连接，保持了构件外边齐平的设计要求。节点控制工况为如下工况：1.2恒荷恒荷载载-1.4Y向风荷载向风荷载+0.84降温降温30摄氏度，其内力方向均与整体坐标系一致。摄氏度，其内力方向均与整体坐标系一致。计算结果计算结果该铸钢节点在该铸钢节点在1倍设计荷载下的有限元计算结果如下图所示，铸钢节点区最大倍设计荷载下的有限元计算结果如下图所示，铸钢节点区最大应力为应力为166MPa；在；在3倍设计荷载下的有限元计算结果如下图倍设计荷载下的有限元计算结果如下图18所示，铸钢节点所示，铸钢节点区最大应力为区最大应力为308MPa，节点未发生破坏，满足规范要求，其最大应力位置位于，节点未发生破坏，满足规范要求，其最大应力位置位于铸钢节点与上侧支撑杆件相交的位置。铸钢节点与上侧支撑杆件相交的位置。一一、项目概况、项目概况二、十字型节点参数化设计二、十字型节点参数化设计三、十字型节点参数化有限元计算三、十字型节点参数化有限元计算四、内外弦桁架圆钢管相贯节点四、内外弦