鋼管結(jié)構(gòu)相貫節(jié)點(diǎn)研究綜述

周小燕

（甘肅省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730030）

1 概述

鋼管相貫節(jié)點(diǎn)最初應(yīng)用與平面及立體管桁架結(jié)構(gòu)中，近年來由于其外觀的優(yōu)越性，在許多的復(fù)雜大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)中被越來越廣泛的應(yīng)用，但是由于結(jié)構(gòu)體系的復(fù)雜性，鋼管相貫節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)也越來越復(fù)雜，往往是很多個(gè)桿件交匯于一個(gè)節(jié)點(diǎn)處。常用的鋼管主要是圓鋼管和方鋼管，在相貫節(jié)點(diǎn)中按照腹桿的位置不同，可以分為間隙相貫節(jié)點(diǎn)和搭接相貫節(jié)點(diǎn)。常用的平面相貫節(jié)點(diǎn)類型有T型、X型、K型，空間相貫節(jié)點(diǎn)則是在平面相貫節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上衍生出來的。在實(shí)際很多的空間結(jié)構(gòu)中，往往是很多個(gè)桿件交匯，節(jié)點(diǎn)受力狀態(tài)非常復(fù)雜，已經(jīng)超出了規(guī)范中的典型相貫節(jié)點(diǎn)的分類，整個(gè)結(jié)構(gòu)在外力作用下的受力性能更依賴于節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定而非構(gòu)件本身的強(qiáng)度，節(jié)點(diǎn)破壞往往先于構(gòu)件發(fā)生。

1.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

劉鑫剛和葛家琪[1]等結(jié)合貴陽奧體中心體育場，對承受彎矩的大直徑鋼管相貫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了足尺模型極限承載力破壞試驗(yàn)。通過模型試驗(yàn)來研究承受彎矩大直徑相貫節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)承載力，并考慮偏心對相貫節(jié)點(diǎn)承載力的影響，指出節(jié)點(diǎn)腹桿的偏心會降低節(jié)點(diǎn)承載力，建議采用設(shè)置加勁板的方式提高節(jié)點(diǎn)承載力。陳以一[2]等以整體鋼管桁架為試驗(yàn)加載對象，對兩種圓鋼管空間相貫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行靜力和反復(fù)加載試驗(yàn)研究，研究了桿件的承載力與節(jié)點(diǎn)承載力的關(guān)系及節(jié)點(diǎn)的幾何特性與耗能能力的關(guān)系。武振宇[3]等對Y形矩形鋼管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，分析研究了節(jié)點(diǎn)的延性比、承載力和能量耗散系數(shù)等參數(shù)。李自林[4]等對4組N形圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了滯回試驗(yàn)研究，采位移延性系數(shù)評價(jià)了節(jié)點(diǎn)的延性性能及耗能能力，分析了墊板加強(qiáng)和弦桿內(nèi)填混凝土兩種加強(qiáng)措施對節(jié)點(diǎn)的延性和承載力的影響，發(fā)現(xiàn)弦桿內(nèi)填混凝土可以有效提高節(jié)點(diǎn)的承載力，但會降低節(jié)點(diǎn)的延性；采用加強(qiáng)墊板的相貫節(jié)點(diǎn)則可以提高延性，承載力提高的幅度有限。鄭伯興和黃長華[5]等總結(jié)了目前鋼管相貫節(jié)點(diǎn)研究中存在的幾個(gè)較為常見的疑難問題：鋼管節(jié)點(diǎn)剛度假定、極限承載力的確定、有限元單元類型的選取、有限元模型約束的模擬和考慮弦桿荷載的規(guī)范公式的使用。通過分析,總結(jié)了這幾個(gè)常見疑難問題的解決對策。楊維國和王耀峰[6]等人應(yīng)用有限元軟件ANSYS對XKK型空間相貫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，研究了相貫節(jié)點(diǎn)中主支管管徑比、腹桿與主管管徑比、主管與腹桿的夾角及間隙及徑厚比等參數(shù)對節(jié)點(diǎn)承載力的影響，此外研究發(fā)現(xiàn)XKK型空間相貫節(jié)點(diǎn)在進(jìn)入彈塑性階段后有較長的塑性區(qū)段，XKK型空間相貫節(jié)點(diǎn)有較好的延性能力。李斌[7]總結(jié)了管桁架節(jié)點(diǎn)的失效模式及識別方法，并結(jié)合具體實(shí)例對節(jié)點(diǎn)的失效模式進(jìn)行有限元分析，并提出在加工及施工過程中相應(yīng)的構(gòu)造處理措施。朱邵寧和舒興平[8]運(yùn)用有限元軟件ANSYS對某體育場崖蓋結(jié)構(gòu)中兩個(gè)空間KK型圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，總結(jié)了節(jié)點(diǎn)在荷載作用下的力學(xué)性能，并提出在滿足承載力的情況下，可對桿件的壁厚進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)性優(yōu)化。祝磊[9]結(jié)合實(shí)際工程對空間矩形相貫TX型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了有限元分析，并考慮了平面外彎矩的影響，研究表明不同的荷載路徑對節(jié)點(diǎn)承載力的影響是可以忽略的，利用線性回歸軟件ORIGIN回歸出TX型節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算的擬合公式。熊俊和石永久[10]等以北京市某空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)植物園的焊接管節(jié)點(diǎn)為例，采用有限元軟件ABAQUS分析了節(jié)點(diǎn)在各種內(nèi)力組合作用下的應(yīng)力、應(yīng)變分布，計(jì)算了節(jié)點(diǎn)承載力的安全系數(shù)，分析了節(jié)點(diǎn)的三種破壞形態(tài)，分析探討了設(shè)置加勁肋對節(jié)點(diǎn)承載力的影響。鄭江、郝際平[11]等以某體育館相貫節(jié)點(diǎn)為例，選用合理有效的多尺度計(jì)算模型，用有限元軟件ANSYS對其在彈性及彈塑性階段的力學(xué)性能進(jìn)行了分析，并提出來判別復(fù)雜空間相貫節(jié)點(diǎn)承載力的準(zhǔn)則。E.M.Dexter[12]對軸向荷載作用下的搭接和小間隙K形相貫節(jié)點(diǎn)做了大量有限元分析，并將計(jì)算的結(jié)果與現(xiàn)有設(shè)計(jì)指南中的結(jié)果進(jìn)行了比較。研究表明，節(jié)點(diǎn)的重疊部分的支撐作用可以提交節(jié)點(diǎn)的承載力。Scolar[13]等通過對7個(gè)V型相貫節(jié)點(diǎn)和5個(gè)T型相貫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了軸向載荷試驗(yàn)，被測試件的支弦直徑比為0.22～0.65，弦徑比為13～23。V型節(jié)點(diǎn)的分支之間的夾角為60°、90°或120°。試驗(yàn)對比了T型和V型相貫節(jié)點(diǎn)試件的極限強(qiáng)度、剛度和應(yīng)力等力學(xué)性能。在T型接頭處增加平面外支桿，當(dāng)支桿之間的夾角較小時(shí)增加T型節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度，在夾角較大時(shí)減小T型節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度。

1.2 圓管相貫節(jié)點(diǎn)有限元分析

節(jié)點(diǎn)建模：選取一空間結(jié)構(gòu)中典型圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)，采用通用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行計(jì)算分析，在前處理中，利用Rhinoceros軟件強(qiáng)大的建模技術(shù)，采用體元將鋼管建成空心鋼管圓柱體，按照桿件之間的相貫順序進(jìn)行體元之間的相減運(yùn)算，得到各腹桿的相貫邊緣線，刪除多余的相交處的體元，對所有交匯桿件進(jìn)行布爾運(yùn)算，得到鋼管相貫節(jié)點(diǎn)模型。

單元類型：節(jié)點(diǎn)采用實(shí)體單元C3D10。

材料：理想彈塑性材料，弦桿及腹桿均采用Q345，fy=310MPa，E=2.06×105MPa。 泊松比取 0.3。節(jié)點(diǎn)區(qū)的選取及網(wǎng)格劃分：對于鋼管相貫節(jié)點(diǎn)，計(jì)算模型的合理選取很重要，桿件長度太長將導(dǎo)致弦桿過早發(fā)生彎曲破壞，而長度過短又會使弦桿出現(xiàn)明顯的凹凸變形，文中弦桿長度取由節(jié)點(diǎn)中心開始外伸約4倍的桿件直徑，腹桿均由兩相交桿件的根部開始外伸取腹桿長度的1/4，有利于消除端部加載方式對節(jié)點(diǎn)區(qū)域的影響。網(wǎng)格劃分采用ABAQUS中自由網(wǎng)格劃分，且對相貫線附近易產(chǎn)生應(yīng)力集中的區(qū)域進(jìn)行人工干預(yù)來細(xì)分網(wǎng)格以得到較好的計(jì)算結(jié)果。（如圖1所示）。

圖1 節(jié)點(diǎn)有限元模型

邊界條件及加載方式：對主弦桿一端按固定端考慮，另一端只允許桿件軸向發(fā)生位移，腹桿主要承受軸力作用。桿件截面見表1。

表1 桿件截面及荷載組合

判別準(zhǔn)則：以文獻(xiàn)11中提出的極限變形作為節(jié)點(diǎn)極限承載力的判別準(zhǔn)則，采用0.008d作為變形限值（d為弦桿直徑）。

第一階段選取整體計(jì)算模型中弦桿1和弦桿2軸力最大時(shí)的兩種荷載工況進(jìn)行彈性分析 （見表1）。分別選取弦桿1和弦桿2在桿件軸力達(dá)到最大時(shí)的荷載工況進(jìn)行內(nèi)力分析。圖2為工況組合一作用下節(jié)點(diǎn)的Mises等效應(yīng)力分布，圖中可以看出，在設(shè)計(jì)荷載作用下，節(jié)點(diǎn)處于彈性階段，核心區(qū)處最大應(yīng)力為152N/mm2。第二步采用逐級加載的方式進(jìn)行彈塑性分析，對各支管的軸力以一定的比例進(jìn)行加載，圖3為加載至設(shè)計(jì)內(nèi)力的2.5倍時(shí)的內(nèi)力云圖，在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的最大應(yīng)力為397N/mm2，鋼材進(jìn)入塑性區(qū)域貫通弦桿2，此時(shí)的變形值為2.78mm，基本接近極限變形值2.81mm。

圖2 組合一作用下的Mises彈性應(yīng)力分布圖

圖3 組合一作用下的Mises塑性應(yīng)力分布圖

圖4為工況組合二作用下節(jié)點(diǎn)的Mises等效應(yīng)力分布，節(jié)點(diǎn)基本處于彈性階段，核心區(qū)處最大應(yīng)力為320.6N/mm2。第二步進(jìn)行彈塑性分析，圖5為加載至設(shè)計(jì)內(nèi)力的2倍時(shí)的內(nèi)力云圖，在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的最大應(yīng)力為520N/mm2，鋼材進(jìn)入塑性區(qū)域貫通弦桿2，節(jié)點(diǎn)相連桿件基本已經(jīng)進(jìn)入屈服，此時(shí)的變形值為2.98mm。

圖4 組合二作用下的Mises彈性應(yīng)力分布圖

圖5 組合二作用下的Mises塑性應(yīng)力分布圖

上述鋼管相貫節(jié)點(diǎn)有限元分析結(jié)果表明，在正常設(shè)計(jì)荷載作用下，支管與主管相交區(qū)域的應(yīng)力較大，局部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，遠(yuǎn)離相貫線處的應(yīng)力越來越小，節(jié)點(diǎn)整體的應(yīng)力分布較為平緩，且節(jié)點(diǎn)區(qū)域沒有出現(xiàn)較大的變形，應(yīng)力均小于鋼材的屈服應(yīng)力，當(dāng)繼續(xù)對上述節(jié)點(diǎn)加載至正常荷載的2～2.5倍時(shí)，節(jié)點(diǎn)相貫線處應(yīng)力明顯增大，但僅僅是在節(jié)點(diǎn)相貫線處的局部區(qū)域出現(xiàn)的明顯屈服現(xiàn)象，但整個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移還是比較小的。通過分析表明，上述節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是安全可靠的。

2 結(jié)論與展望

目前，國內(nèi)對相貫節(jié)點(diǎn)的研究還比較少，尤其在復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)中相貫節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜多樣性，規(guī)范中僅對一些典型節(jié)點(diǎn)的承載力做了規(guī)定，對于相貫節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)做法的研究更是比較少。文章對國內(nèi)相貫節(jié)點(diǎn)的研究現(xiàn)狀總了綜述性的論述，并選取了一典型的圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了有限元分析，分析結(jié)果表明在正常荷載作用下相貫節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)滿足設(shè)計(jì)要求。