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中国南极泰山站装配化构件及节点设计

花匠小妙招
2025-04-30 19:39

? 中国南极泰山站装配化构件及节点设计

中国南极泰山站装配化构件及节点设计

沈佳星

(宝钢工程技术集团宝钢建筑系统集成有限公司, 上海　201900)

摘　要：南极内陆常年的极端低温和大风天气，给泰山站的建站工作带来了很大的挑战，为了顺利完成在气候恶劣的南极内陆建立科考站的艰巨任务，在泰山站的结构设计中采用了装配化的设计理念，在构件的连接节点中全部采用螺栓连接，避免了现场焊接工作，为泰山站的顺利建成创造了前提条件。

关键词：节点; 装配化; 设计

1　工程概况

中国南极泰山站是中国在南极大陆建设的第4个科学考察站，泰山站位于南极内陆地区的伊丽莎白公主地，常年气温在-30 ℃以下，并伴随有大风，极端最低温度可达到-60 ℃，气候条件恶劣，建站的位置常年覆盖着厚厚的冰盖，没有坚实的天然地基供建筑物附着。在这样恶劣的条件下建站，对结构设计和现场施工提出了很严苛的要求，所以泰山站的结构设计采用了装配式、模块化的技术理念。泰山站采用钢框架-支撑结构体系，建筑立面呈飞碟状，结构总高度为11.4 m，共3层，层高为2.5～2.7 m，1层为设备层，2层为宿舍及生活设施，3层为观察瞭望层，设备层楼面下还有2.5 m高的架空层，大风可直接从架空层穿过并吹走积雪，避免主站房被风雪掩埋。框架柱采用圆管柱，框架梁和楼面次梁采用焊接H型钢，柱间支撑采用单角钢，楼面板采用定向结构刨花板OSB板，板下设置密排卷边C型钢组成楼面模块用于固定楼面板。外墙面骨架采用全木檩条，泰山站的基础采用的是由钢板焊接而成的柱下条形基础，基础按照运输车辆的尺寸进行分段，在现场组装成整体。主体结构的钢材采用低温压力容器用钢09MnNiDr，楼面檩条、系杆、撑杆等次要构件采用Q345E钢材。

2　装配化构件

南极内陆极为恶劣的天气条件促使设计人员选择了更易于快速化装配和建筑的钢结构，且构件要具备较高的装配化程度。传统钢结构的现场安装工作经常要用到焊接，泰山站的建站位置常年处于低温、大风的气候条件，很难在现场进行焊接工作，而且南极的极端低温会使钢构件发生轴向收缩，构件之间的连接节点会存在对接困难的情况。南极的恶劣气候迫使现场的施工人员要尽快地完成主体钢结构及外围护结构的安装工作，以便转入主站房内部进行施工，这时施工人员可以不必暴露在南极的风雪中，可以相对安全地进行设备安装和室内装修工作。因此泰山站的所有主体结构钢构件的现场拼接节点均采用了全高强螺栓的连接方式，不设置现场连接焊缝，其中框架柱采用了类似管道的法兰连接方式，上柱和下柱分别设置了法兰盘，法兰盘上按照构造要求布满高强螺栓孔。

为保证高强螺栓在南极的极端低温下能够正常工作，高强螺栓在材质上选取了可以耐-60 ℃低温的42CrMo, 并且要具备相应温度下的冲击功保证和扭矩保证。在形式上选用了大六角形高强螺栓，用专用的扭矩扳手进行施拧，因为普通的扭剪型高强螺栓在低温下施拧时会发生尾部梅花头提前断裂的情况，而此时螺栓并未达到预紧力，高强螺栓的承载力会有所降低。为解决钢构件在南极的低温下的轴向收缩对构件连接的不利影响，在对构件的收缩量进行计算后，当高强螺栓孔所在平面与构件轴线相平行时，将高强螺栓孔做成22 mm×32 mm的腰形孔，为构件的轴向收缩变形预留了±5 mm的空间，以便可在现场拼接构件时调整，确保高强螺栓的安装顺利。

泰山站的楼面板采用OSB板，这种板材具有较高的抗弯能力，因此可以用作结构板，并且质量很轻，很适合用于泰山站这样的装配式结构。OSB板采用自攻钉与楼板的密排C型钢连接，C型钢的间距控制在600 mm左右，并且根据运输车辆的尺寸制作成长、宽均为3.5 m左右的模块，每个模块都由C型钢围成的边框和边框内的密排C型钢组成，边框可直接搁置在预先设置在主体结构钢梁上的托板上，边框与托板之间用自攻钉可实现快速连接。

泰山站的建站位置覆盖着厚度达1 900 m的冰盖，不可能采用传统的现浇钢筋混凝土基础，即便是采用预制混凝土基础，也存在质量太大难以运输的问题，因为深入南极内陆建立科考站需要经过数百公里的长距离跋涉，沉重的混凝土预制构件对运输车辆、起重设备和现场施工人员来说无疑是个巨大的负担，而且混凝土材料在极低温度下也存在脆裂的问题。因此泰山站的基础要采用质量轻、易于运输、现场能快速安装的形式。采用了钢结构基础，基础形式为柱下条形基础(图1)，基础横断面类似于扩展基础的形式(图2)。条形基础平面为十字形布局，十字的4个端部再用条形基础拉结成整体，这样可以形成较大的基础刚度，确保泰山站的根基“稳如泰山”。条形基础由底板、箱型截面基础梁、基础横向肋组成，条形基础与上部结构框架柱的连接位置采用加密基础横向肋、基础梁增设横向加腋的加强措施。条形基础的宽度为1.8 m，高度为0.6 m，并按照运输工具的大小在工厂制作成长度约8 m左右的分段，整个基础一共分成9个分段，每个分段之间的连接也采用密排高强螺栓的方式，以保证足够的连接强度，连接处的高强螺栓孔也特地开设成腰形孔，以便于在现场进行适当的调整。

图1　泰山站基础平面布置

注：未注明板厚为6 mm。
图2　泰山站基础横断面

在泰山站的构件装船运往南极之前，施工方在上海某处拼装场地进行了所有基础构件、上部钢结构构件、楼面系统、外围护系统的总装，对构件的工厂制作精度和现场的安装施工进行了检验，及时对拼装中出现的问题进行校正，确保在南极现场施工时不会因为构件的制作精度问题导致安装停顿，也是对极地现场施工的一次预演。

3　节点设计

3.1　梁柱拼接节点

泰山站梁柱节点采用外环板式刚接节点(图3)，这也是圆管柱结构的常用梁柱连接形式，环板伸出柱壁的宽度取150 mm(不小于框架梁翼缘宽度的0.7倍)，保证节点所必须的刚度。环板的外侧设置短牛腿，牛腿的截面同框架梁的截面，牛腿至圆管柱柱边的距离为500 mm，这样的尺度可以便于施工人员在牛腿上站立并进行吊装作业，又不致太过增大构件的尺度而造成运输困难。框架梁的现场拼接节点采用全部栓接的方式，即上、下翼缘的拼接按照螺栓群的抗剪承载力与翼缘的抗拉承载力等强度，腹板的拼接按照螺栓群的抗剪承载力与腹板的抗剪承载力等强度的原则配置高强螺栓的数量，高强螺栓均采用双剪切面的连接方式，最大限度地利用螺栓的摩擦力。

1—圆管φ500×12;2—t=10 mm加强环板；3—节点板开孔φ22；
4—节点板开长圆孔32×22；5—t=6 mm；6—t=12 mm。
图3　梁柱连接节点

3.2 墙面檩条节点

泰山站的墙面骨架采用全木檩条，这是一种在极寒地区较为独特的做法，普通钢结构建筑的外墙面系统通常采用金属骨架，但是金属骨架在极寒地区存在“冷桥”问题，即建筑物内的热量会通过外围护板材与金属骨架间的金属连接件流失至室外，室内的热量不能持久保存。而木材是热量的不良导体，阻断了金属连接件与室内的热量交换，达到了有效保存室内热量的目的。泰山站的木檩条选用的是TB20强度等级，檩条的截面尺寸为90 mm×90 mm，选材来自国外优秀品质的木材，以保证泰山站的外围护系统具备足够的耐久性。泰山站的木檩条系统是一套较为复杂的围护系统(图4a)，分顶面围护檩条、侧墙面围护檩条、底面围护檩条和瞭望层外围护檩条，泰山站所在地常年都处于大风环境中，为了确保外围护体系的牢固，檩条的檩距被限制在1m左右，要将这些排列密集的木檩条牢固地固定在主体结构上，也非易事。

泰山站上、下斜面的檩条布置采用了主次檩条的形式，即用卷边C型钢作为主檩条，主檩条布置在上下斜面平行于相邻两道放射状主结构钢梁中间的位置，木檩条作为次檩条，并且木檩条采取两跨连续的布置形式，将主檩条作为次檩条的中间支座，主结构钢梁作为次檩条的铰支座，次檩条的排列呈有规律的正十二边形。木檩条与主结构钢梁的连接采用檩托板的形式，但为了使木檩条的连接更加牢固，确保在南极内陆的强风作用下连接部位的安全可靠，泰山站的檩托板采用了双侧布置的形式(图5)，将木檩条夹在两块檩托板的中间，每根檩条与檩条板之间保证至少用两颗自攻钉连接。自攻钉采用SUS304不锈钢材质，直径8 mm，为便于在现场快速连接，每个檩托板上预先在工厂钻好直径9 mm的引孔，此引孔作为自攻钉安装时的辅助导向措施，确保安装时自攻钉不发生歪斜。木檩条与主檩条的连接方式采用双侧L形连接件夹紧的做法，L形连接件采用3 mm厚Q345E钢板弯折而成，连接件与木檩条、主檩条之间的连接也采用自攻钉，每个连接处不少于两颗自攻钉。

a—上斜面； b—生活层楼面。
图4　泰山站檩条布置

1—h150×200×6×12;2—90×90木檩条；3—t=6 mm,09MnNiDR;
4—M8自攻钉，材质SUS304不锈钢，檩托板开孔φ9。
图5　木檩条节点

3.3　楼面节点

泰山站的楼面形状为正多边形(图4b)，其中设备层和瞭望观察层为正八边形，生活层为正十六边形，楼面板采用OSB板，板下设置密排C型钢作为固定OSB板的楼面檩条，檩条的檩距为0.6m左右，由于C型檩条的数量众多，为了提高楼面檩条的装配化程度，按照运输工具的尺寸大小，将由主结构钢梁围成的各个区格内的楼板檩条预先制作成模块，每个模块都由C型钢边框和其内部的檩条组成。主体结构钢梁的侧面设有与模块连接的角钢托板(图6)，角钢上预先开孔，施工时檩条可直接搁置在角钢上，用自攻钉在下方先后钻透角钢和檩条下翼缘并咬合紧固，檩条模块便完成了安装固定。

1—C120×60×4.0;2—170×6;3—M8自攻钉，
角钢开孔φ9,檩条不开孔。
图6　楼面檩条托板节点

4　结束语

泰山站是钢结构在极寒地区的一个较为成功的应用，它的建成对于我国的极地科学考察事业具有较为重要的意义，进一步积累了在极寒地区应用钢结构的设计和施工经验。泰山站在钢结构装配化上做了一些成功的尝试，在结构连接上通过采用全螺栓和自攻钉连接，从而避免了现场焊接作业，成为中国极地建设历史上的一个较为成功的案例，为进一步在南极大陆拓展科学考察事业奠定了更为扎实的基础。当然，极地的施工条件极为严酷，为了缓解现场施工人员的劳动强度，泰山站的装配化程度还需要进一步提高，其复杂的外墙面系统和楼面檩条系统仍是施工当中的一个较为繁琐的部分，随着我国在南极科学考察事业的进一步发展，更高装配化程度的外围护系统有待于设计人员进一步探索和研究。

参考文献

[1]　GB 50007—2003　钢结构设计规范[S].

[2]　《钢结构设计手册》编辑委员会.钢结构设计手册[M].3版.北京：中国建筑工业出版社,2004.

[3]　李星荣，魏才昂，丁峙崐，等.钢结构连接节点设计手册[M].2版.北京：中国建筑工业出版社,2005.

[4]　GB 3531低温压力容器用低合金钢钢板[S].

[5]　青木博文.结构设计专家入门：钢结构篇[M].北京：中国建筑工业出版社,2012.

ASSEMBLED STRUCTURAL MEMBER AND JOINT DESIGN OF CHINA ANTARCTIC TAISHAN STATIONShen Jiaxing

(Baosteel Engineering and Technology Group, Baosteel Building System and Integration Co.Ltd,Shanghai 201900, China)

ABSTRACT：The weather of Antarctic inland is extremely low temperature and strong windy all over the year, which brings great challenge to the construction of Antarctic Taishan Station. In order to accomplish this mission in such severe weather, the design concept of assembly structure member applied in the structural design of Antarctic Taishan Station was proposed. The joint of structure were connected by bolts instead of welding, which provided a good condition for the construction of Antarctic Taishan Station.

KEY WORDS：joint; assembly; design

DOI:10.13206/j.gjg201603017

收稿日期：2015-10-13

作　者：沈佳星，男，1981年出生，硕士。

Email:shenjiaxing@baosteel.com