淺述相貫節(jié)點(diǎn)的研究動(dòng)態(tài)

石學(xué)棟

（太原理工大學(xué)，山西 太原 030024）

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，尤其是多位數(shù)控技術(shù)的產(chǎn)生，使得相貫節(jié)點(diǎn)越來(lái)越受到人們的青瞇，并不斷地展現(xiàn)出它自身的許多優(yōu)越性。所謂的相貫節(jié)點(diǎn)又被稱為直接匯交節(jié)點(diǎn)、直接焊接節(jié)點(diǎn)和簡(jiǎn)單節(jié)點(diǎn)。它是指不同桿件的軸線按一定角度相互連接時(shí)，在節(jié)點(diǎn)處只有在同一軸線上的兩個(gè)最粗的相鄰桿間貫通，其余桿件通過(guò)端部相貫線加工后，直接焊接在貫通桿件的外表的節(jié)點(diǎn)形式。

1 組成樣式

從空間上來(lái)分，相貫節(jié)點(diǎn)可以分為兩大類：平面相貫節(jié)點(diǎn)和空間相貫節(jié)點(diǎn)。平面相貫節(jié)點(diǎn)指的是主弦桿和其他的腹桿或者支桿均在同一個(gè)平面內(nèi)；而空間相貫節(jié)點(diǎn)則是指所有的腹桿或支桿不僅在節(jié)點(diǎn)的平面內(nèi)，在平面外也有腹桿或支桿，它們與主弦桿形成了一個(gè)三維空間的節(jié)點(diǎn)形式。人們通常把截面為圓形的弦桿形成的節(jié)點(diǎn)稱為圓管節(jié)點(diǎn)，而把截面為矩形的弦桿形成的節(jié)點(diǎn)稱為方管節(jié)點(diǎn)，包括弦桿截面為方形或矩形，而腹桿(或支桿)為圓形或方形的節(jié)點(diǎn)。因此，按照節(jié)點(diǎn)截面的形式可以將相貫節(jié)點(diǎn)分為：圓管——圓管相貫節(jié)點(diǎn)，方管——方管相貫節(jié)點(diǎn)，方管——圓管相貫節(jié)點(diǎn)以及圓管——方管相貫節(jié)點(diǎn)這4種形式。

常見(jiàn)的平面節(jié)點(diǎn)有:T型、Y型、X型、K型、YK型、平面KK型（也稱DK型），見(jiàn)圖1。常見(jiàn)的空間節(jié)點(diǎn)形式有:TT型、XX型、KK型、KT型、KX型等，見(jiàn)圖2。

圖1 平面相貫節(jié)點(diǎn)

圖2 空間相貫節(jié)點(diǎn)

2 相貫節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用

相貫節(jié)點(diǎn)之所以被廣泛地應(yīng)用，是由于它的外觀非常簡(jiǎn)潔，沒(méi)有那多余的外凸零件、次要構(gòu)件的連接也十分方便、不需要增加節(jié)點(diǎn)用鋼量、施工速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)的存在。因此在大跨度建筑的鋼管結(jié)構(gòu)中，相貫節(jié)點(diǎn)得到了前所未有的應(yīng)用。在我國(guó)，有許多在建或已完成的重大工程都應(yīng)用了此節(jié)點(diǎn)，如首都機(jī)場(chǎng)新航站樓、上海體育場(chǎng)[1]、虹口體育場(chǎng)、上?？萍汲?、成都雙流機(jī)場(chǎng)新航站樓[2]、廣州新白云機(jī)場(chǎng)新航站樓、廣州體育館[3]、深圳機(jī)場(chǎng)航站樓等，都使用了相貫節(jié)點(diǎn)這一管節(jié)點(diǎn)形式。

武漢火車站[4]屋面結(jié)構(gòu)采用的是正交正放的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，其節(jié)點(diǎn)大多采用圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)。本工程中相貫節(jié)點(diǎn)的支管不但數(shù)目較多，而且個(gè)別節(jié)點(diǎn)的主管與支管，支管與支管夾角較小，節(jié)點(diǎn)區(qū)的焊接焊縫重疊較多。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，武漢火車站屋面相貫節(jié)點(diǎn)中具有8個(gè)支管的有133個(gè)，具有7個(gè)支管的有288個(gè)，其中還包括大量的具有6個(gè)支管和5個(gè)支管的節(jié)點(diǎn)。

國(guó)家游泳中心“水立方”[5]，該標(biāo)志性?shī)W運(yùn)場(chǎng)館采用新型基于氣泡理論的多面體空間剛架結(jié)構(gòu)，基于建筑方面造型的需要，其屋蓋和墻體的表面構(gòu)件全部為矩形鋼管。屋面和墻面的交界線上以及墻面和墻面的交界線，在實(shí)際結(jié)構(gòu)中是一條通長(zhǎng)且截面相同的等截面方鋼管（300×300×20）；而屋面和墻面上的腹桿與此弦桿相交時(shí)，采用簡(jiǎn)捷的相貫焊接的節(jié)點(diǎn)形式。

3 國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)

3.1 國(guó)外研究動(dòng)態(tài)[6]

近20年來(lái)，各國(guó)的研究學(xué)者對(duì)相貫節(jié)點(diǎn)的研究做了很多工作。早在1948年原西德就對(duì)平面相貫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了節(jié)點(diǎn)的極限強(qiáng)度試驗(yàn)。20世紀(jì)60年代初期，日本學(xué)者對(duì)K形、X形、T形節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了較為詳細(xì)的試驗(yàn)，并提出了有關(guān)X，T，K形節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度計(jì)算公式。而相貫節(jié)點(diǎn)的抗彎研究最早是在1976年，由Gibsetni發(fā)表的關(guān)于T形節(jié)點(diǎn)平面內(nèi)彎曲研究報(bào)告提出。1984年，Kurbonae采用線性回歸的方法，通過(guò)對(duì)大量X，T，K形節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究，提出了平面相貫圓管節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度計(jì)算公式，它日后也成為了日本建筑學(xué)會(huì)和歐洲管節(jié)點(diǎn)委員會(huì)制定規(guī)范的依據(jù)。這以上都是對(duì)平面相貫節(jié)點(diǎn)的研究，而對(duì)于空間相貫節(jié)點(diǎn)的研究比較落后，原因是由于節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)相對(duì)比較少，尤其是大型節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)，而且節(jié)點(diǎn)形式也主要局限于TT，KK，XX這集中比較特殊的節(jié)點(diǎn)，對(duì)于較復(fù)雜的TX，DT，KT型，僅有有限元分析，且節(jié)點(diǎn)受力分析主要考慮的是腹桿承受之力，而對(duì)于受彎矩作用的節(jié)點(diǎn)剛度以及復(fù)合受力極限狀態(tài)等力學(xué)性能研究?jī)H有少量成果。同年，Mkaino通過(guò)對(duì)20個(gè)空間KK型節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究，得出了兩個(gè)受壓的腹桿在弦桿表面由于間距的不同導(dǎo)致的不同的破壞模式，使得對(duì)空間KK型節(jié)點(diǎn)研究有了新的進(jìn)展，這也是平面K型節(jié)點(diǎn)所沒(méi)有的特征。

1987—1989年，Mitsi，Nakaeho等分別開(kāi)始對(duì)空間T形節(jié)點(diǎn)的初步研究。1990年，Mouty和Rondal研究了軸力作用下不同夾角的KK型空間管節(jié)點(diǎn)，同年Scolla也進(jìn)行了類似試驗(yàn)，并得出了在KK型節(jié)點(diǎn)中的破壞模式，肯定了Mkaino的研究成果。1991年，Paul進(jìn)行了TT型空間相貫節(jié)點(diǎn)的軸力試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了回歸分析，于1992年提出了兩種不同失效模式下的承載力計(jì)算公式。又在1994年通過(guò)58個(gè)空間節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)，使用多元回歸得出了TT型和KK型空間節(jié)點(diǎn)的極限承載力公式。1996年，Mkanio等建立了一個(gè)數(shù)據(jù)完備、可供研究者自由下載的圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)及有限元分析的數(shù)據(jù)庫(kù)。1997年，Pkae等對(duì)K形方管節(jié)點(diǎn)的疲勞性能作了研究，并提出了應(yīng)力集中因子公式。2000年，Zhao通過(guò)對(duì)T形節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)，提出了節(jié)點(diǎn)極限強(qiáng)度的確定準(zhǔn)則，并給出了弦桿腹板屈曲和弦桿表面塑性失效兩種破壞形式的極限強(qiáng)度建議公式。2001年，Ben Young對(duì)K，X型方管相貫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，給出了不銹鋼X，K型節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。2001年，Pake等通過(guò)研究K型節(jié)點(diǎn)的疲勞性能，得出了確定應(yīng)力集中系數(shù)的計(jì)算模型。

3.2 國(guó)內(nèi)研究動(dòng)態(tài)[7]

在國(guó)內(nèi)方面，對(duì)相貫節(jié)點(diǎn)的研究，尤其是這20年來(lái)，研究成果十分驚人。我國(guó)的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017—2003中，已經(jīng)將平面方管節(jié)點(diǎn)的承載力設(shè)計(jì)公式納入其中，但對(duì)于空間相貫的方管節(jié)點(diǎn)，我國(guó)才剛剛開(kāi)始研究，相應(yīng)的規(guī)范中也并未列入這些內(nèi)容。同濟(jì)大學(xué)通過(guò)與原機(jī)械部設(shè)計(jì)院在1965年進(jìn)行合作，對(duì)薄壁方管桁架相貫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了大量試驗(yàn)。同濟(jì)大學(xué)在1988年對(duì)X型相貫節(jié)點(diǎn)極限承載力進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究，并得出了極限承載力的分析方法，并于1993年，對(duì)X型相貫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)和分析。2000年，又與廣州某設(shè)計(jì)院對(duì)平面K型相貫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了靜力試驗(yàn)。通過(guò)大量的試驗(yàn)，并以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立了方管節(jié)點(diǎn)的彎曲剛度公式，并對(duì)其強(qiáng)度運(yùn)用有限元的方法進(jìn)行了分析。2001年，陳以一等人通過(guò)對(duì)KK，XK，TK 3種類型大尺寸試件的試驗(yàn)，以得出的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)分析了試件的破壞機(jī)理，并指出了由于節(jié)點(diǎn)區(qū)焊縫剛度過(guò)大延性不足，可能使節(jié)點(diǎn)管壁極限強(qiáng)度得不到充分發(fā)揮。2004年，王元清等對(duì)腹桿是圓管弦桿為方管的空間相貫節(jié)點(diǎn)的極限承載力進(jìn)行了有限元分析，得出了支管是腹桿弦桿為方管的空間相貫節(jié)點(diǎn)的受力性能。2007年，陳譽(yù)、彭興黔通過(guò)使用ANSYS有限元分析軟件，運(yùn)用solid45的8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元類型對(duì)平面和空間相貫節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行了非線性有限元分析，在研究過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了小尺寸試件很難模擬實(shí)際焊縫、殘余應(yīng)力、局部變形對(duì)節(jié)點(diǎn)的影響等，因此，試驗(yàn)作為實(shí)際節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算公式的建立基礎(chǔ)，應(yīng)當(dāng)重視大比例試件的試驗(yàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于鋼管相貫節(jié)點(diǎn)的幾何形狀和各種參數(shù)對(duì)其受力性能的影響十分復(fù)雜，對(duì)管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行精確的理論分析目前尚有較大的困難。雖然半個(gè)世紀(jì)以來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者們對(duì)平面和空間相貫節(jié)點(diǎn)的不同節(jié)點(diǎn)形式進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究和理論分析，但是由于試驗(yàn)條件和分析方法的不同，這些公式間還存在著很多差異。因此，還需要在以下幾個(gè)方面作進(jìn)一步的研究：

（1）各國(guó)規(guī)范中鋼管相貫節(jié)點(diǎn)極限承載力計(jì)算公式都是以平面相貫節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)的，而沒(méi)有空間相貫節(jié)點(diǎn)的相關(guān)計(jì)算公式。

（2）相貫節(jié)點(diǎn)的承載力計(jì)算公式的建立，還需依靠大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸。

（3）疲勞破壞的研究。由于在海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)中相貫節(jié)點(diǎn)的疲勞破壞有較多的研究，而其在房屋建筑結(jié)構(gòu)中的研究還需進(jìn)一步的開(kāi)展。

[1]沈祖炎，陳揚(yáng)驥，陳以一.上海八萬(wàn)人體育場(chǎng)屋蓋的整體模型和節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào).1998，（2）.

[2]李常虹.成都雙流國(guó)際機(jī)場(chǎng)T2航站樓鋼結(jié)構(gòu)屋蓋相貫節(jié)點(diǎn)極限承載力分析[J].建筑結(jié)構(gòu).2010，（9）.

[3]陳國(guó)棟，郭彥林，葉浩文等.廣州市新體育館屋蓋吊裝及拆撐過(guò)程動(dòng)態(tài)分析[J].建筑結(jié)構(gòu).2002，32（1）.

[4]劉曙，王輝.武漢火車站多管相貫節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究[J].施工技術(shù) 2010，7，39（7）.

[5]趙鵬飛，錢基宏.單項(xiàng)受力狀態(tài)下矩形鋼管相貫節(jié)點(diǎn)的承載力研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào).2005，26（6）：54-63.

[6]徐丹.空間TT形方管節(jié)點(diǎn)靜力工作性能的有限元分析[D].武漢大學(xué).2005.

[7]趙雅.大尺寸復(fù)雜空間相貫節(jié)點(diǎn)極限承載力足尺試驗(yàn)研究[D].北京交通大學(xué).2010.