鋼管結(jié)構(gòu)相貫節(jié)點(diǎn)的研究現(xiàn)狀

汪福義,徐偉煒,王小平

(武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，武漢 430070)

鋼管結(jié)構(gòu)最早應(yīng)用于海洋平臺(tái)，具有承載力高、抗扭剛度大、穩(wěn)定性高、外觀簡(jiǎn)潔及節(jié)約鋼材等優(yōu)點(diǎn)。相貫節(jié)點(diǎn)是鋼管結(jié)構(gòu)常用的節(jié)點(diǎn)形式。隨著多維數(shù)控切割技術(shù)的逐漸成熟，鋼管結(jié)構(gòu)中相貫節(jié)點(diǎn)切割困難的難題得以解決[1]，使其得到了很好的推廣和應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)此類節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究和分析。該文在查閱大量國(guó)內(nèi)外參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了相貫節(jié)點(diǎn)的研究現(xiàn)狀和主要成果，以期為相貫節(jié)點(diǎn)的進(jìn)一步研究提供參考和依據(jù)。

1 相貫節(jié)點(diǎn)分類及研究方法

1.1 相貫節(jié)點(diǎn)的分類

鋼管結(jié)構(gòu)相貫節(jié)點(diǎn)一般按照桿件的截面形式、外型和腹桿的相對(duì)位置進(jìn)行分類。根據(jù)鋼管結(jié)構(gòu)相貫節(jié)點(diǎn)中桿件的不同截面形式，相貫節(jié)點(diǎn)一般可分為圓管相貫節(jié)點(diǎn)、方管相貫節(jié)點(diǎn)、方圓管相貫節(jié)點(diǎn)三種類型，在20世紀(jì)90年代，人們提出了弦桿使用H型鋼、腹桿使用圓管或方鋼管的組合截面節(jié)點(diǎn)，稱為圓管-H型鋼節(jié)點(diǎn)或方管-H型鋼節(jié)點(diǎn)；按照相貫節(jié)點(diǎn)的外型劃分，常見的平面相貫節(jié)點(diǎn)分為T型(Y型)、X型、K型、KT型(KY型)等形式，而常見的空間相貫節(jié)點(diǎn)可分為TT型、XX型、KK型、KKT型、KT型、KX型等形式；按照相貫節(jié)點(diǎn)腹桿的相對(duì)位置劃分，相貫節(jié)點(diǎn)分為搭接節(jié)點(diǎn)和間隙節(jié)點(diǎn)，搭接節(jié)點(diǎn)的腹桿間相互重疊，間隙節(jié)點(diǎn)的腹桿間無(wú)重疊部分，如圖1所示。它們的受力有明顯的區(qū)別，其中搭接節(jié)點(diǎn)的受力受腹桿搭接順序的影響較大。

1.2 相貫節(jié)點(diǎn)的研究方法

從1950年開始，人們嘗試了多種研究方法對(duì)相貫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究，主要包括試驗(yàn)研究與理論分析兩大類。試驗(yàn)研究法包括試驗(yàn)法和試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法兩種研究方法，其中，試驗(yàn)法是采用1∶6至1∶2.5的試件模型，試件的邊界條件、荷載、焊縫等試驗(yàn)因素的模擬需與實(shí)際構(gòu)件相符合，在試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖鄳?yīng)位置布置應(yīng)變片、位移計(jì)等以測(cè)量節(jié)點(diǎn)的受力性能的一種研究方法，可以得出節(jié)點(diǎn)承載力、應(yīng)力分布、變形等受力特性，為設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)；試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法主要利用試驗(yàn)和數(shù)學(xué)相結(jié)合的方法得到節(jié)點(diǎn)受力性能的計(jì)算公式，但由于試驗(yàn)和節(jié)點(diǎn)類型的多樣性，導(dǎo)致計(jì)算公式并不全面。理論分析法包括數(shù)值模擬法和有限元法，其中，鋼管結(jié)構(gòu)相貫節(jié)點(diǎn)受力性能的數(shù)值模擬最早采用的是薄殼理論，而簡(jiǎn)化分析方法常包括環(huán)模型法、沖剪模型法、塑性鉸線模型法等，但均十分復(fù)雜。隨著計(jì)算機(jī)水平的發(fā)展，有限元分析方法因其建模簡(jiǎn)單和計(jì)算結(jié)果精確而得到廣泛的運(yùn)用，且人們常采用試驗(yàn)與有限元相結(jié)合的分析方法，即通過(guò)試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)與有限元進(jìn)行對(duì)比，從而驗(yàn)證有限元建模的正確性，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的參數(shù)分析。

2 圓管相貫節(jié)點(diǎn)的研究現(xiàn)狀

早期鋼管結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的研究主要集中在圓管相貫節(jié)點(diǎn)。1967年，鷲尾健三等人[2]對(duì)K型、T型和X型的圓管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的靜力試驗(yàn)研究，并分析了參數(shù)β，γ，τ對(duì)K型節(jié)點(diǎn)性能的影響，得出節(jié)點(diǎn)極限承載力計(jì)算公式。20世紀(jì)70年代末，Gibstein[3]對(duì)T型圓管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行平面內(nèi)受彎性能的理論研究，得出節(jié)點(diǎn)抗彎性能的分析方法。1984年，Kurobane[4]對(duì)圓管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究，包括398個(gè)K型、73個(gè)X型和50個(gè)T型節(jié)點(diǎn)，擬合得出相應(yīng)類型節(jié)點(diǎn)的極限承載力計(jì)算公式，并為相關(guān)規(guī)范的制定提供依據(jù)。1994年，Paul[5]依據(jù)圓管節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出KK型、TT型空間節(jié)點(diǎn)的極限承載力計(jì)算公式，并提出公式修正系數(shù)μ(適用范圍0.5～1.3)。1998年，沈祖炎等[6]進(jìn)行了整體桁架1:35比例模型試驗(yàn)和K型圓管節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)，試驗(yàn)表明直接焊接相貫節(jié)點(diǎn)的塑性性能好，同時(shí)證明了我國(guó)規(guī)范計(jì)算公式的合理性。2001年，陳以一等人[7]在同時(shí)考慮幾何參數(shù)和荷載組合影響的前提下，對(duì)雙K型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行受彎性能研究，得出：圓管節(jié)點(diǎn)在腹桿處于彈性階段時(shí)，節(jié)點(diǎn)可按全剛接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。2006年，舒興平、鄭伯興等人[8]對(duì)KT型圓管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析，考察不同影響參數(shù)下節(jié)點(diǎn)的受力性能。研究表明：在不同幾何參數(shù)下，節(jié)點(diǎn)破壞主要表現(xiàn)為腹桿軸向屈曲和弦桿局部塑性破壞；節(jié)點(diǎn)受力性能主要受腹桿和弦桿的影響較大，而支桿影響較??；有限元承載力計(jì)算結(jié)果小于規(guī)范中K型節(jié)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果，兩者比值為0.75左右。2010年，陳譽(yù)，趙憲忠等人[9]對(duì)KT型圓管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究和有限元參數(shù)分析，重點(diǎn)考察了內(nèi)隱藏焊縫、腹桿搭接順序及幾何參數(shù)的影響。研究表明：β、γ對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力影響較大，搭接率和τ對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力影響較??；利用零間隙N型節(jié)點(diǎn)計(jì)算公式擬合出的KT型搭接節(jié)點(diǎn)計(jì)算公式與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。

3 方管相貫節(jié)點(diǎn)研究現(xiàn)狀

鋼管結(jié)構(gòu)方管相貫節(jié)點(diǎn)的研究大約始于20世紀(jì)80年代。1982年，Packer[10]對(duì)K型、T型和十字型矩形節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)研究，同時(shí)利用塑性鉸線法推導(dǎo)出K型矩形節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算公式，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證了其正確性。試驗(yàn)研究表明，T型和十字型等寬矩形節(jié)點(diǎn)破壞模式主要表現(xiàn)為弦桿側(cè)壁局部塑性破壞。1988年，Bauer[11]對(duì)TT型、KK型空間方管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行靜力試驗(yàn)，其中弦桿受軸拉力，并進(jìn)行參數(shù)研究，建立了兩種塑性鉸線分析模型。1990年，沈祖炎等人[12]對(duì)方管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了大量的參數(shù)分析，并推導(dǎo)得到該類型節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算公式，為我國(guó)相關(guān)規(guī)范的制定提供了依據(jù)。2003年，武振宇、武勝利用有限元分析的方法對(duì)K型間隙方管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)性能的研究，發(fā)現(xiàn)此類節(jié)點(diǎn)的破壞形式主要表現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)發(fā)生整體的剪切變形破壞。2004年，陳以一、彭對(duì)方管節(jié)點(diǎn)在彎矩作用下的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。文中指出，節(jié)點(diǎn)相貫區(qū)域受力復(fù)雜，出現(xiàn)應(yīng)力集中和傳力彎折現(xiàn)象，從而降低了節(jié)點(diǎn)的剛度和強(qiáng)度，并得出節(jié)點(diǎn)彈性抗彎剛度計(jì)算公式和分段變剛度模型。2016年，武振宇、董立松對(duì)K型間隙方管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行靜力承載力試驗(yàn)研究，提出弦桿上翼緣設(shè)置貼板加強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)并進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)表明貼板加強(qiáng)有效地提高了節(jié)點(diǎn)的極限承載力且提高的程度與貼板的長(zhǎng)度有關(guān)。利用有限元分析對(duì)現(xiàn)有計(jì)算公式提出修正系數(shù)，并分析了各桿件截面尺寸對(duì)節(jié)點(diǎn)效率的影響從而提出合理的加強(qiáng)板尺寸。

4 方圓管相貫節(jié)點(diǎn)研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代，隨著方圓管相貫節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外也開展了相關(guān)的研究。Packer提出對(duì)于方圓管節(jié)點(diǎn)，將圓管尺寸乘以π/4代入方管節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算公式中，但各國(guó)規(guī)范卻按照整體公式乘以π/4來(lái)計(jì)算承載力。關(guān)于這兩種“支管轉(zhuǎn)化方法”沒有得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。1998年，Gandhi等人對(duì)T型方弦桿圓腹桿節(jié)點(diǎn)進(jìn)行抗震性能研究，認(rèn)為此類節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)較小，介于方管節(jié)點(diǎn)和圓管節(jié)點(diǎn)兩者之間。2001年，劉建平等人利用有限元對(duì)K型方圓管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，得出幾何參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力的影響，并提出不同破壞模式下節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)方法。2004年，Mashiri等人對(duì)T型方圓管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行抗彎性能和疲勞性能研究，文中采用二次外推法推導(dǎo)出節(jié)點(diǎn)應(yīng)力，建立節(jié)點(diǎn)平面內(nèi)抗彎承載力計(jì)算公式，并提出節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中修正系數(shù)。在2006年至2008年期間，舒興平、朱正榮等人對(duì)N型搭接方圓管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行足尺試驗(yàn)和有限元分析。研究表明，在相貫區(qū)域，方圓管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布與圓管節(jié)點(diǎn)基本一致；當(dāng)弦桿作為焊接管時(shí)，節(jié)點(diǎn)焊縫宜布置在方管處；將試驗(yàn)與有限元數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，提出承載力影響系數(shù)。

5 H型鋼弦桿相貫節(jié)點(diǎn)研究現(xiàn)狀

弦桿為H型鋼的相貫節(jié)點(diǎn)具有承載力大、安裝和使用方便等優(yōu)勢(shì)，但相關(guān)的研究較少。2002年，王元清、曾文平等人對(duì)圓管腹桿-H型鋼弦桿節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元非線性分析，利用四邊形殼單元進(jìn)行模型模擬，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，得出節(jié)點(diǎn)在軸力和平面外彎矩兩種工況下的承載力計(jì)算公式。2013年，陳譽(yù)、魏琳、吳穎等人對(duì)T型和X型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行靜力性能分析，節(jié)點(diǎn)為方、圓管腹桿-H型鋼弦桿節(jié)點(diǎn)。通過(guò)試驗(yàn)和有限元參數(shù)分析，對(duì)比不同類型節(jié)點(diǎn)破壞模式、極限承載力等受力性能，分析了此類節(jié)點(diǎn)的受力性能和幾何參數(shù)的影響，同時(shí)將其與歐洲規(guī)范進(jìn)行對(duì)比分析，提出修正系數(shù)。2017年，陳勝[13]對(duì)圓支桿-H型鋼弦桿KT型搭接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了靜力承載力試驗(yàn)研究，并對(duì)弦桿設(shè)置加勁板的加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究表明加勁板的設(shè)置使得節(jié)點(diǎn)剛度和極限承載力提高。同時(shí)利用有限元軟件提出了幾種節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)方法。

6 結(jié) 論

鋼管結(jié)構(gòu)相貫節(jié)點(diǎn)一般按照截面形式、外型和腹桿的相對(duì)位置進(jìn)行分類，主要通過(guò)試驗(yàn)與理論分析進(jìn)行研究。鋼管結(jié)構(gòu)中的圓管相貫節(jié)點(diǎn)、方管相貫節(jié)點(diǎn)、方圓管相貫節(jié)點(diǎn)及H型鋼弦桿相貫節(jié)點(diǎn)的國(guó)內(nèi)外研究成果主要是各相貫節(jié)點(diǎn)的極限承載力表達(dá)式、破壞模式、參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力和剛度的影響和節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)的方法。

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