1．工程概况
广东兴业国际仓储项目科研主楼主体工程建筑外形呈立放的巨型玉璧，外径146.6m，内径47m，宽28.8m，总高度138m。结构形式为钢支撑框架+钢筋混凝土核心筒混合结构，由核心筒、外斜撑框架、转换桁架和外伸刚臂、内钢框架和钢梁+混凝土组合楼盖等组成，前三者构成了本工程主要受力结构，见图1。
图1 结构体系组成
图2 斜撑框架组成
外斜撑框架共两榀，由框架柱、钢斜撑和外环梁、内环梁、水平梁组成，见图2；布置在结构南北两侧，立面投影大致成圆环且左右对称。框架柱为方钢管混凝土柱，截面尺寸为日1400x600x14～日1400x800x35、□600x35等；钢斜撑采用箱型截面尺寸为□1400x500x50、□500x500x8～35；水平梁截面尺寸为□500x500x8～25；内环梁和外环梁均为□1000x500x12。钢材材质为Q345B，壁厚≥40mm为Q345GJC。
图3 主要复杂节点布置与构造
斜撑框架复杂节点由上述构件汇交而成，主要有18种，部分节点在节点区域壁厚加强，主要复杂节点的分布与构造见图3，根据节点构造的相似性，归类如下：
（1）B、C、E、J节点：钢斜撑（□1400x500x50）与框架柱（日1400x600x50）汇交形成节点本体，翼板采用X形或Y形的蝶形板；框架梁（□500）和钢斜撑（□500）交于本体上；柱内灌混凝土。
（2）R节点：两钢斜撑（□1400x500x50）汇交形成节点本体，翼板采用X形的蝶形板；框架柱（□600）、框架梁（□500）及转换桁架（□600）贯于本体上。
（3）K、L、M、V节点：两钢斜撑（□500）汇交成X形（翼板为X形的蝶形板）或钢斜撑（□500）与框架梁（□500）汇交成卄形，通过箱型牛腿挂于框架柱（□600）。
（4）A、D、H、S、W、X、Z节点：钢斜撑（□500）、框架梁（□500）、内外环梁（□1000x500）或转换桁架（□600）汇交于框架柱（日1400x600）上。
（5）N、P节点：框架柱（□600）、框架梁（□500）、转换桁架（□600）等汇交于钢斜撑（□1400x500x50）上。
2．复杂节点焊接结构优化原则
本工程斜撑框架节点受力复杂、内部构造复杂、制作工艺复杂、现场施工难度大，通过对其进行工艺性分析，具有下述特点：
（1）节点的构造复杂，内部劲板密集，正斜、交错的布置形式，形成的内部多腔体、小夹角腔体，现场混凝土浇筑难密实，实体工艺试验也验证了这一点。
（2）节点内部空间一定，劲板的密集与交错布置，造成内部施焊空间小，焊接不可达，工厂制作难度大。
（3）节点翼板X、Y形的蝶形板构造，需整板下料，材料利用率低，且节点内部50mm厚劲板Q345GJC-Z25的材质要求，未能充分利用材料的强度。
针对节点特点，结合制作工艺、现场施工工艺及节点受力性能，优化设计时必须遵循充分理解原设计意图，保证节点的承载力，满足工厂制作和现场施工的工艺性要求的原则，并合理降低工程建造成本，实现一定的经济性。
（1）合理选择和利用材料，提高材料的利用率并充分发挥构件材料的强度。
（2）合理优化结构形式，尽量采取简单、平直明快的构造形式，满足工厂焊接可达性和现场灌浆密实性的工艺性要求，有利于施工的方便性、高效性。
3．复杂节点的焊接结构优化设计
3.2.1 斜撑框架A类节点
斜撑框架A类节点由口1400x600x25钢柱、四根口500x16斜撑杆及两根口600x20水平杆件汇交成。内部劲板正斜交错，板件全熔透焊接施焊难度大，焊接死角多；节点中存在斜向加劲板，灌浆难以密实，见图4。
图4 A类节点优化前形式
节点优化：
（1）该节点四根斜撑杆件受力较小，把斜支撑在节点中的斜向劲板改为水平劲板，主要受力通过钢柱传递；
（2）节点在斜撑杆件翼缘板位置设置有一道竖向加劲板，该加劲板与钢柱中间竖向构造劲板间隔仅100mm，考虑到钢柱中间竖向板为构造劲板，节点区域加劲板较多，故取消钢柱中间竖向构造劲板。
通过简化内部构造，节点内板件均满足焊缝可达性，且可以满足节点灌浆密实，见图5。
图5 A类节点优化后形式
3.2.2斜撑框架B类节点
斜撑框架B类节点由口1400x600x50钢柱、两根口1400x600x50斜撑杆、两根口500x16斜撑杆及两根口600x20水平杆汇交成。
内部劲板厚且正斜交错，斜厚板全熔透焊接难度大，节点内劲板焊接死角多；节点中加劲板密集，灌浆难以密实；节点翼缘板为X型蝶形板，板件下料浪费严重，见图6。
图6 B类节点优化前形式
节点优化：
1、该节点两根大斜撑杆件受力较大，钢柱无法直接承受斜撑杆上的力。为让上部斜撑杆上的力能直接而有效的传递到下部斜撑杆上，在斜撑杆及竖向钢柱中增加两道50mm厚竖向劲板，斜撑杆上的力由增加的竖向加劲板有效的传递到下部构件上。
2、取消斜撑杆在钢柱中的加劲板，仅保留水平杆件在节点中的水平加劲板，保证水平钢梁水平方向力有效传递下满足现场灌浆施工。
3、取消X型蝶形整板，减少工厂下料损失。
保证结构安全前提下通过改变及简化内部构造，使节点内加劲板件均满足焊缝要求，且可以满足节点灌浆密实，见图7。
图7 B类节点优化后形式
3.2.3斜撑框架M类节点
斜撑框架M类节点由四根口500x16斜撑杆相交叉并通过箱型连接杆与口600x16钢柱汇交成。内部劲板多且密，节点中加劲板焊接死角多，全熔透焊接难度大；交叉节点翼缘板为X型蝶形整板，板件工厂下料浪费大，见图8。
图8 M类节点优化前形式
节点优化：
1、该节点受力较小且主要受压，为保证主体斜支撑杆有效传力，在X型交叉节点中采用竖板传递斜支撑所受的力。
2、把X型节点与钢柱连接的箱型连接杆的加劲板作为主要传力板件，斜支撑的腹板与之相贯，并在相交位置增设一块水平劲板传递水平力。
3、竖向劲板把节点的X型蝶形整板分开为两块K型整板，减少工厂下料损耗。
保证传力合理有效的前提下，简化结构形式，保证板件焊接可达性并减少焊缝重叠，从而减少应力集中，见图9。
图9 M类节点优化后形式
3.2.4斜撑框架R类节点
斜撑框架R类节点由两根口1400x600x35斜撑杆、一根口600x16竖杆、两根口600x20水平杆及一个转换桁架汇交成。内部劲板厚且正斜交错，节点内劲板焊接死角多；节点翼缘板为X型蝶形板，板件下料浪费严重，见图10。
图10 R类节点优化前形式
节点优化：
1、该节点主要受力构件为两根斜支撑及转换桁架构件，在保证主要受力构件不变的情况下减少非主要受力杆件的加劲板，以简化节点形式，使节点满足工厂组装工艺要求。
2、取消节点X型蝶形翼缘板，采用传统的相交杆件对接方式，减少工厂板件下料损耗。
3、对节点中部分腹板进行组装分段，合理安排板件组焊顺序，以满足节点内板件焊接可达性。
4、在相交杆件上部增长转换桁架翼缘板传力劲板，以便桁架传力更有效，受力更合理，见图11。
图11 R类节点优化后形式
3.2.4斜撑框架V类节点
斜撑框架V类节点由四根口600x25斜撑杆、一根口600x20竖杆及一个转换桁架汇交成，四根斜撑杆组成的X型节点与竖向钢柱通过两块竖向劲板连接。内部劲板多特别是转换桁架伸过来的劲板正斜交错，节点内劲板焊接死角多，见图12。
图12 V类节点优化前形式
节点优化：
1、转换桁架传力板向上提高60mm，保证斜支撑翼缘板与此板焊接时焊缝不重叠。满足焊缝可达性。
2、采用竖向劲板及水平劲板传递斜支撑腹板竖向受力及水平受力，在满足主要杆件受力情况下简化节点形式，使板件均可焊接。
3、调整节点内板件组装顺序，使之符合工厂焊接工艺要求，见图13。
图13 V类节点优化后形式
4．优化后节点有限元分析
斜撑框架为本工程受力体系主要组成之一，利用大型有限元分析软件ANSYS对优化后节点的承载力校核，结果表明优化后节点的承载力满足结构受力需要。以B节点为例，计算结果如图14
图14 优化后节点有限元分析
从上图可以看出，优化后在设计荷载下节点区域Von-Mises应力为230Mpa，小于材料屈服强度280Mpa（节点区域板厚为50mm）；在极限荷载下（2倍的设计荷载）下，优化后节点交汇区域应力分别达到324Mpa。
5．结语
通过对本工程复杂节点的工艺性分析，有目的、有针对性的进行焊接结构优化，保证节点承载力的前提下，解决了本工程复杂节点工厂制作的焊接可达性和现场灌浆难密实的难题；并提高了材料的利用率，且节点结构的简化提高了施工工效，降低工程成本，确保了复杂节点的工艺性并实现了一定的经济性。（浙江精工钢结构有限公司，浙江绍兴 312030）
参考文献
[1] 焊接手册 中国机械工程学会焊接学会 机械工业出版社 2001年8月
[2] 钢结构设计规范（GB50017-2003） [S]
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