哈尔滨万达滑雪场为目前全球最大的室内滑雪场^[1], 建筑面积约8.6万m²。图1为滑雪场整体效果图。哈尔滨万达滑雪场基础采用桩基础, 其基础设计与分析见文献[2]。

　　 滑雪场的立面造型酷似一只红色冰舞鞋, 或者是一架红钢琴, 平面尺寸长487m, 属于超长钢结构, 为了减小结构单体长度并简化结构受力的复杂性, 将其与下面停车楼及超市等混凝土结构脱开, 并设置两条缝将其分割为三个部分:低区, 中区, 高区;图2为分区示意图。其中低区平面尺寸158m×150m, 中区平面尺寸151m× (150～120) m, 高区平面尺寸173m× (120～90) m, 整体结构立面高度最低42m (最西端) , 最高119.66m (最东端) 。经超限认定, 低区、中区、高区这三部分均属于超限结构。

　　 滑雪场高区是最为复杂和独特的部分。雪道最大高差为87m, 楼面存在25.44°的倾角, 两侧结构水平刚度差异很大。高区为巨型框架结构, 组成部分包括钢筒体 (即巨型框架柱) 、滑雪层楼面结构 (其中主桁架为巨型框架梁) 、侧面大桁架以及屋面结构。巨型框架柱为6个钢筒体, 巨型框架梁为楼面主桁架。为了分担竖向荷载, 在左侧南北两端设置了两个仅承担竖向荷载的混凝土筒体, 由混凝土筒体支承侧面大桁架, 如图3所示。

　　 中区上部为横向桁架、纵向框架的钢结构体系 (类似于无柱间支撑的门式刚架结构体系) , 下部为钢筋混凝土框架结构。中区跨度在120～150m之间。上部钢结构柱脚铰接于下部混凝土结构上。为减小地震作用时上部钢结构纵向的地震反应, 在其纵向两端设置黏滞阻尼器。

　　 低区上部也采用横向桁架、纵向框架的钢结构体系, 下部为钢筋混凝土框架结构。低区跨度为150m, 为有效减小屋面跨度, 在不影响建筑功能的前提下, 增设跨中柱, 跨中柱柱底铰接, 柱顶刚接, 取消局部屋面斜腹杆, 调整及减弱其受荷范围, 图4为滑雪场低区剖面图。

　　 滑雪场楼面荷载涉及与滑雪相关的荷载较多, 包括钢结构自重及雪道特殊面层做法自重, 与滑雪相关的制冷工艺荷载及大型设备荷载, 索道魔毯荷载, 铲雪车及雪荷载, 其上景观及建筑物荷载 (餐厅、咖啡厅及嬉雪乐园) 等, 楼面荷载远远超出普通楼面大跨度建筑的楼面荷载。

　　 结构重载大跨、复杂超限, 导致节点设计存在以下重点、难点:1) 节点受力大, 尺寸大, 节点处构件最大截面尺寸为1 600mm×1 600mm, 构件最大厚度为60mm;2) 节点汇交处杆件较多, 空间关系复杂;3) 节点种类繁多, 关键节点类型多达二十余种;4) 哈尔滨冬季严寒, 且室内为低温雪场环境, 使用阶段钢结构可能达到的最低温度为-32℃, 施工阶段钢结构可能达到的最低温度为-38℃, 节点设计要考虑钢结构低温冷脆问题;5) 由于工程进度和造价管控等因素, 没有对关键节点进行试验, 节点设计完全依赖结构计算分析, 通过计算分析确定节点的受力性能, 其中节点几何构造及加强措施是节点设计的重点、难点。

　　 钢结构节点设计要重点关注承载力指标和刚度指标^[3], 设计原则如下:1) 最大内力设计准则, 即取最不利组合工况下的内力来进行节点设计;2) 保证节点区的承载能力高于与其相连的构件 (关键构件性能目标均为中震弹性) ;3) 结合抗震超限专家论证会意见, 对于结构体系中的关键节点, 达到抗震性能目标为大震应力比不超过0.95 (即节点最大应力不超过钢材屈服强度的0.95) ;4) 节点传力直接, 节点区应有可靠的传递主受力构件内力的能力;5) 方便施工, 避免焊缝重叠, 有较强的可操作性;6) 考虑低温对钢结构焊接的影响;7) 节约用材, 降低造价。

　　 哈尔滨冬季严寒, 采用全焊接存在很大的风险。采用全螺栓连接虽然可以避免焊接残余应力和低温对焊接质量的影响, 但滑雪场为重载大跨度高层结构, 多数节点尺寸较大, 翼缘板较厚, 节点交汇处的杆件多, 如图5所示。以出现最多的典型K形节点 (图6) 为例, 进行全栓接与栓焊组合两种节点形式用钢量的对比。用于连接的双夹板大部分在25mm厚以上, 结构质量较栓焊混合节点增加幅度较大 (表1) , 高强螺栓的数量庞大 (表2) , 对结构构件的安装精度要求也相当苛刻, 而且复杂节点翼缘板螺栓连接操作空间受限, 安装高度较高, 现场安装较难实现, 施工质量也较难控制。

　　 综合上述特点, 采用翼缘焊接、腹板螺栓连接的混合连接形式, 并将连接段外移, 尽量避免焊缝交叉, 降低焊接发生冷脆的风险, 有效避免螺栓连接的操作空间受限问题, 同时节约节点用钢量, 减轻结构自重, 经济合理。

　　 哈尔滨滑雪场节点有限元分析采用MIDAS节点三维实体模型与MIDAS结构计算分析构件的整体线性模型耦合, 并对耦合模型进行多尺度分析, 简称三维整体有限元分析方法。这样的分析方法可以直接将整体分析的内力和变形作为节点实体模型的边界和荷载条件进行分析, 避免荷载和边界条件的假定不符合实际受力状态, 提高了节点设计的效率和准确性, 缩短了节点设计的周期;能够更好地把握局部区域的变形和应力情况, 节点与整体模型耦合模型见图7。

　　 具体实施步骤:1) 通过ABAQUS有限元软件建立节点三维实体模型, 并进行四面体单元网格划分, 导出节点模型数据的inp文件;2) 将inp文件导入MIDAS软件中, 形成MIDAS三维实体节点模型;3) 三维实体节点模型与结构计算分析构件的整体线性模型通过刚性连接合并, 形成多尺度整体分析模型。

　　 本工程节点抗震性能目标控制为大震弹性, 故整体分析及三维节点分析均采用弹性分析模型, 若节点分析需要进行非线性计算, 亦可实现三维整体非线性分析, 但需定义材料的非线性本构模型。

　　 V形巨柱 (图8 (a) ) 对于整个结构至关重要, 巨柱X形交叉节点 (图8 (b) ) 更是巨柱间连接的关键部位。节点处有8根杆件连接, 构件最大截面尺寸为1 600mm×1 600mm, 节点板最大厚度为60mm (钢板厚度方向性能要求为Z25级) , 详见表3。综合考虑杆件肢数、截面尺寸、杆件内力以及经济等因素, 不宜采用铸钢节点采用栓焊连接节点。

　　 为保证节点区的承载能力高于构件的承载力, 在节点内部设置通长纵向加劲肋和一定数量的横向加劲肋来加强节点, 并通过节点的三维整体有限元分析对加劲肋的布置进行优化, 图9给出了X形巨柱交叉节点三维整体有限元分析模型。经过一系列对比优化分析, 采取在节点杆件X形交叉处增加加劲肋的数量和厚度, 增加交角处倒角, 并在杆件GKL1与GKL2, GKL3连接处靠近节点端进行局部区域段加厚处理及增设加劲板等构造加强措施, 有效减小节点区的应力集中。经分析, 各荷载组合下, 计算结果均满足性能目标, 变形也满足要求, 且有一定安全储备。

　　 图10给出了静力工况下巨柱X形交叉节点三维整体有限元分析的von Mises应力分布云图, 其中D为恒载, L为活载。可见, 对于整个节点核心区域, 无塑性应力区, 应力最大位置集中在巨柱X形交叉分肢倒角位置, 在最不利荷载组合1.35D+0.98L下, 节点应力最大值约为175MPa (优化前为281MPa) 。图11给出了大震工况下节点三维整体有限元分析的von Mises应力云图, 可见, 1.0D+0.5L+1.0E_x (大震) 工况下节点最大应力约为142MPa, 1.0D+0.5L+1.0E_y (大震) 工况下节点最大应力约为118MPa, 1.0D+0.5L+1.0E_z (大震) 工况下节点最大应力约为118MPa, 三种工况中节点应力最大值小于静力工况下的节点应力最大值, 因此地震作用不是节点区受力状况的控制因素。

　　 为保证连接的可靠性和施工的可行性, 巨柱交叉主杆件连接采用全熔透焊接连接, 焊接质量等级要求为一级。分肢采用高强度螺栓连接, 高强螺栓的强度等级为10.9级。

　　 高区楼面桁架节点将主桁架弦杆截面优化为箱形截面 (表4) , 已经很大程度上降低了构件空间布局难度, 减少了节点区域加劲肋数量, 但为了实现上弦在同一斜平面, 节点区局部增加了斜垫板垫起一定的角度来满足与节点区相连的各构件的连接, 如图12 (a) 所示。经节点三维整体有限元分析, 斜垫板与各构件相连处出现了严重的应力集中现象, 在最不利荷载组合1.35D+0.98L下其应力最大值约为397MPa, 如图13 (a) 所示。

　　 为减少节点区焊缝数量, 减小应力集中, 将上弦节点区域简化为一块碟形斜向大板 (图12 (b) ) , 其厚度取各弦杆上翼缘厚度的包络, 与各弦杆的连接焊缝外移, 有效地避免了节点区焊缝集中, 碟形节点较普通节点应力分布更加均匀, 无应力集中现象, 各工况包络的最大应力比约降至322MPa, 发生在碟形斜向大板与主弦之间的竖向板与主弦杆之间的焊缝应力集中处, 其他区域应力均小于200MPa, 见图 13 (b) 。图14给出了蝶形节点详图, 由于焊缝外移, 构造简单, 施工方便。

　　 屋面上弦杆主要为H型钢, 腹杆主要为圆钢管, 综合考虑杆件肢数、截面尺寸、杆件内力以及经济性等因素, 屋面上弦节点采用相贯焊接连接, 各杆件截面尺寸见表5, 节点模型见图15。对屋面上弦典型节点进行三维整体有限元分析, 包络工况的最大应力为318MPa, 位置出现在圆钢管与H型钢腹板相交处, 为避免圆钢管与H型钢相贯时H型钢腹板焊接应力大, 焊缝集中交叉, 采取三种方式进行优化和加强, 分别为增加水平加劲肋、竖向加劲肋及在节点区局部封板成箱形。经计算, 增加水平和竖向加劲肋减小应力效果不明显, 将节点区局部封成箱体后, H型钢腹板处及圆钢管与H型钢翼缘板相交处的最大应力由318MPa降到221MPa, 效果显著, 见图16。

　　 节点核心区域位移云图见图17, 可见, 三种优化改进措施对节点核心区位移几乎没有影响, 节点的最大位移均为29mm左右, 变形满足要求。

　　 屋面下弦采用同样的处理方式, 对于腹杆较多的节点, 局部封闭为扩大的箱体, 使箱体可以包住整个节点核心区, 有效避免了焊缝的重叠交叉和应力集中现象。

　　 抗风桁架位于高区转换楼面与屋面之间, 长度约为24m, 且有70°倾角。结合建筑效果要求, 最终采用销轴连接, 销轴直径为60mm, 上销轴采用长圆孔, 有效释放重力荷载下的轴力, 使屋面桁架下弦仅承受水平向风荷载, 不承担竖向荷载;有效减小屋面杆件尺寸, 图18给出了抗风桁架与屋面桁架及楼面桁架的关系图。

　　 销轴材质采用高硬度、耐磨性能好的40Cr。参考钢结构设计标准 (GB 50017—2017) ^[4]进行销轴计算和设计。经验算, 节点承载力多为耳板局部稳定和耳板抗剪控制。为了减小耳板的厚度, 增加两道20mm厚加劲肋。图19给出了销轴节点详图 (t为板厚) 。

　　 图19 销轴节点详图

　　 哈尔滨万达滑雪场为超大跨度结构, 造型独特, 结构复杂超限, 设计难点较多, 其节点构造复杂, 受力较大, 节点的可靠性和可实施性尤为重要。本文着重讨论了节点选型及优化措施, 三维整体有限元分析方法, 详细论述了滑雪场钢结构关键节点的计算及设计原则、构造细节及加强措施, 并对关键节点进行了三维整体有限元分析。目前节点在实际使用过程安全可靠。