螺栓球節(jié)點力學(xué)性能研究進(jìn)展

楊勝召 韋杰良

（1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004 ）

（2.中國能源建設(shè)集團(tuán)廣西電力設(shè)計研究院有限公司，廣西 南寧 530004 ）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)建筑由于其施工方便、造型優(yōu)美、結(jié)構(gòu)形式靈活、受力明確等優(yōu)點不斷被用于建設(shè)大小型建筑，常見的有國家大劇院、鳥巢、水立方、各種大型機(jī)場、火車站、汽車站、加油站等。網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部位為傳遞荷載和起著連接支撐作用的節(jié)點和連接桿件，節(jié)點常用螺栓球節(jié)點、焊接空心球節(jié)點以及其他形式的節(jié)點，連接桿件基本都是圓鋼管。螺栓球節(jié)點自1942年德國的工程師Max Mengeringhausen 發(fā)明以來，深受廣大設(shè)計師青睞，節(jié)點可簡稱為MERO。本文針對蓬勃發(fā)展的螺栓球節(jié)點進(jìn)行綜述，本文中螺栓球節(jié)點包括螺栓球球體、高強(qiáng)螺栓、套筒、封板/錐頭、銷釘?shù)攘慵Ｆ渲新菟ㄇ蚯蝮w材質(zhì)一般為45#鋼材，一般由冶煉好的圓柱鋼切下后鍛造而成，因此表面可能存在部分不平整的地方。高強(qiáng)螺栓材質(zhì)為40Cr 或者其他性能優(yōu)良的合金結(jié)構(gòu)鋼如35VB 等，一般螺栓球節(jié)點采用的高強(qiáng)螺栓為圓頭螺帽并進(jìn)行防腐處理。套筒的材質(zhì)一般為碳素結(jié)構(gòu)鋼，常用Q235 鋼材，針對不同規(guī)格螺栓均配套對應(yīng)規(guī)格套筒。封板和錐頭常用碳素結(jié)構(gòu)鋼制成，其鋼材型號一般要求與所連接的鋼管一致以便于焊接。銷釘用于固定螺栓，防止螺栓在連接過程中的轉(zhuǎn)動，材質(zhì)一般為合金結(jié)構(gòu)鋼如40Cr。

螺栓球節(jié)點的受壓荷載傳遞路徑一般為：螺栓球節(jié)點連接鋼管→封板/錐頭→套筒→球體；螺栓球節(jié)點的受拉荷載傳遞路徑一般為：螺栓球節(jié)點連接鋼管→高強(qiáng)螺栓螺帽→高強(qiáng)螺栓→球體。

國內(nèi)外學(xué)者針對螺栓球節(jié)點的受力性能進(jìn)行了大量的研究，本文主要從螺栓球節(jié)點受拉力學(xué)性能、受彎力學(xué)性能、疲勞性能及機(jī)理和影響因素、腐蝕后力學(xué)性能、高溫情況下/后的力學(xué)性能等方面展開介紹。受拉力學(xué)性能方面影響螺栓球節(jié)點受力性能的主要因素是施工的初始缺陷即高強(qiáng)螺栓深度，針對此，大量學(xué)者展開了系統(tǒng)的試驗、數(shù)值模擬研究。接下來將從螺栓球節(jié)點受拉、受彎性能，螺栓球節(jié)點疲勞性能，螺栓球節(jié)點其他方面研究進(jìn)展的撰寫順序展開說明。

1 螺栓球節(jié)點受拉、受彎力學(xué)性能

1.1 螺栓球節(jié)點受拉力學(xué)性能

螺栓球節(jié)點的受拉承載性能與高強(qiáng)螺栓的擰入深度密切相關(guān)，規(guī)范規(guī)定高強(qiáng)螺栓的擰入深度不小于所采用的螺栓規(guī)格的1.1 倍直徑。黃炳生[1]等人針對3 種規(guī)格的螺栓分別擰入3 種深度以探索不同擰入深度下螺栓球節(jié)點的破壞規(guī)律，結(jié)果顯示高強(qiáng)螺栓擰入0.8、0.9 倍螺栓直徑時高強(qiáng)螺栓發(fā)生滑絲脫扣，擰入深度達(dá)到螺栓直徑時高強(qiáng)螺栓被拉斷并認(rèn)為高強(qiáng)螺栓的擰入深度應(yīng)不小于直徑。在進(jìn)行試驗之后，該文作者針對此進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果顯示螺栓球節(jié)點的受拉承載性能隨著高強(qiáng)螺栓的擰入深度增加而增加，并且螺栓滑絲脫扣和拉斷的臨界擰入深度為0.94 倍螺栓直徑，擬合得到了擰入深度和節(jié)點受拉承載力之間的公式。吳瓊堯[2]運用ANSYS 精細(xì)化模擬了不同擰入深度下的螺栓球節(jié)點受拉承載性能變化，分析認(rèn)為當(dāng)螺栓咬合的螺紋減少兩個時M20、M24 規(guī)格螺栓的受拉承載性能下降約10%，而當(dāng)螺紋減少數(shù)大于2個時，節(jié)點受拉承載性能與螺紋咬合數(shù)量呈現(xiàn)線性下降的趨勢，會發(fā)生滑絲脫扣破壞。

基于以上研究結(jié)果，規(guī)范中規(guī)定的高強(qiáng)螺栓擰入深度值充分考慮了實際工程中結(jié)構(gòu)的安全，是較為保守的值，為確保工程結(jié)構(gòu)安全，應(yīng)保證螺栓的擰入深度不小于1.1 倍螺栓直徑。而很多網(wǎng)架事故的發(fā)生，就是因為安裝過程中螺栓球節(jié)點的擰入深度不足。

有的學(xué)者發(fā)明了新型螺栓球節(jié)點，郭小農(nóng)[3]等發(fā)明的螺栓球柱節(jié)點在受拉等方面表現(xiàn)有較好的性能，作者通過試驗結(jié)合數(shù)值模擬，結(jié)果顯示該類型的螺栓球柱節(jié)點的螺栓擰入弧形端板中的深度應(yīng)大于螺栓自身的直徑并擬合得到了節(jié)點的受拉承載力計算公式，為該類型節(jié)點的推廣應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。李峰[4]研究得到了高強(qiáng)度鋁合金的螺栓球節(jié)點軸向受拉力學(xué)性能，結(jié)果顯示高強(qiáng)螺栓擰入1.2 倍螺栓直徑時可以保證節(jié)點具有足夠的受剪承載性能，基于能量法等相關(guān)分析，推導(dǎo)得到了鋁合金螺栓球節(jié)點的剛度計算式。

1.2 螺栓球節(jié)點受彎力學(xué)性能

吳瓊堯[3]等通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，不同擰入深度的螺栓在承受不同彎矩情況下的變化規(guī)律為：螺紋咬合數(shù)少1 個時，M20、M24 的彎曲破壞值下降約20%，M27 規(guī)格螺栓對應(yīng)的螺栓球節(jié)點的抗彎能力下降50%左右。范峰[5]研究了螺栓球節(jié)點在彎矩和壓彎荷載作用下的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線，并基于此結(jié)果，利用ANSYS 軟件模擬了半剛性單層網(wǎng)殼的穩(wěn)定性以及相應(yīng)的穩(wěn)定計算公式，基于該模型的螺栓球節(jié)點考慮了材料和幾何的雙重非線性。螺栓球節(jié)點的受彎承載性能與高強(qiáng)螺栓的擰入深度有一定的相關(guān)性。

綜上，要想保證螺栓球節(jié)點在受拉、受彎性能上的安全性，應(yīng)保證其擰入深度達(dá)到規(guī)范的要求。

2 螺栓球節(jié)點疲勞性能

螺栓球節(jié)點網(wǎng)架常見于禮堂屋架、土木實試驗大廳屋架，后者（即類似工業(yè)建筑）常配套裝有吊機(jī)以調(diào)運重物，這種情況下的螺栓球節(jié)點承受往復(fù)荷載，久而久之，節(jié)點可能會發(fā)生毫無征兆的疲勞破壞。雷宏剛[6]等人針對螺栓球節(jié)點的疲勞性能展開了大量的研究，總體而言可以總結(jié)為以下幾個方面：第一，建立了螺栓球節(jié)點的疲勞缺口系數(shù)和應(yīng)力集中系數(shù)之間的關(guān)系式，解釋了高強(qiáng)度螺栓的地疲勞性能、疲勞源產(chǎn)生的原因；第二，得到了高強(qiáng)度螺栓的疲勞壽命曲線即S-N 曲線；第三，進(jìn)行了涵蓋常幅疲勞、變幅疲勞的試驗，認(rèn)為采用Corten-Dolan 預(yù)估螺栓的變幅疲勞壽命較為準(zhǔn)確；第四，觀察疲勞破壞試件端口總結(jié)發(fā)現(xiàn)疲勞端口呈現(xiàn)瞬斷區(qū)、擴(kuò)展區(qū)、以及疲勞源區(qū)域三個典型區(qū)域。以上研究在國內(nèi)螺栓球節(jié)點疲勞領(lǐng)域起著帶頭開拓作用，其后大批學(xué)者進(jìn)行了更為細(xì)致的一些研究，試陳述如下。作者團(tuán)隊針對不同規(guī)格的螺栓球節(jié)點用高強(qiáng)螺栓展開常幅疲勞、變幅疲勞研究，推進(jìn)了相關(guān)的理論公式總結(jié)和微觀機(jī)理分析。研究成果涵蓋了M20-M39 甚至更大規(guī)格螺栓的疲勞性能，而疲勞試驗也逐漸被總結(jié)出一套完善的研究方法。

李海旺[7]等人針對螺栓球節(jié)點與圓鋼管組合的試件進(jìn)行了超低周疲勞試驗，得到了組合試件的滯回曲線、剛度退化規(guī)律等疲勞相關(guān)性能，發(fā)現(xiàn)破壞現(xiàn)象均按照試件彎曲、凹陷、產(chǎn)生裂紋最后開口破壞的順序發(fā)生，指出了塑性鉸在控制組合試件疲勞性能中的重要性。作者同時研究了不同加載制度對螺栓球組合節(jié)點低周疲勞性能的影響，結(jié)果表明不同加載制度下組合結(jié)點的破壞過程一致，試件損傷隨著加載荷載增大而迅速增加。

綜上所述，螺栓球節(jié)點的疲勞性能研究從只有螺栓球球體與螺栓組合的最簡單形式下疲勞性能、疲勞機(jī)理研究發(fā)展到了完整螺栓球節(jié)點并連接鋼管構(gòu)件的組合試件疲勞性能研究，結(jié)構(gòu)形式上逐漸全面，相信將來可以進(jìn)行由螺栓球節(jié)點組裝而成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的疲勞性能；而疲勞機(jī)理及理論方面，從簡單的宏觀觀察分析疲勞斷口裂紋走向到采用高倍電子顯微鏡觀察斷口疲勞源的變化特點和相應(yīng)的與疲勞缺口系數(shù)相關(guān)理論發(fā)展，使得螺栓球節(jié)點的疲勞研究逐漸趨向于完整而規(guī)范；此外，研究者進(jìn)行了不同規(guī)格螺栓球節(jié)點在常幅、變幅加載情況下的超低周、低周、中周、高周疲勞性能。

除了傳統(tǒng)的螺栓球節(jié)點力學(xué)性能研究外，部分學(xué)者針對特殊環(huán)境下的螺栓球節(jié)點力學(xué)性能進(jìn)行了大量的研究，主要為腐蝕后螺栓球節(jié)點的力學(xué)性能以及高溫下、后節(jié)點力學(xué)性能變化，該方向可能是未來研究的重點。

3 螺栓球節(jié)點其他方面研究進(jìn)展

3.1 腐蝕后螺栓球節(jié)點受力性能

網(wǎng)架在國內(nèi)發(fā)展較晚，但是90年代左右興建的網(wǎng)架中的螺栓球節(jié)點，已有部分發(fā)生了較大的腐蝕，包括其中螺栓球球體和其他零部件以及連接節(jié)點的鋼管。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示[8]，鋼結(jié)構(gòu)破壞中因為腐蝕導(dǎo)致的事故占整個破壞數(shù)量的3.3%。目前已有部分學(xué)者針對此進(jìn)行了一定研究。譚志倫，劉紅波[9]等人通過靜置于唐山室外遭受腐蝕的螺栓球節(jié)點試件進(jìn)行了腐蝕后拉伸試驗研究，并在假設(shè)球體和螺栓整個斷面以均勻腐蝕減小的情況進(jìn)行了對應(yīng)的數(shù)值模擬，獲得了腐蝕后螺栓球節(jié)點力學(xué)性能并擬合出腐蝕后螺栓球節(jié)點受拉承載力計算公式。

對于螺栓球節(jié)點腐蝕后力學(xué)性能研究方向，后續(xù)可以采用室內(nèi)外腐蝕對比的情況得到室內(nèi)節(jié)點承載力，進(jìn)而計算出室外在役螺栓球節(jié)點的承載力性能，這方面目前面臨一定的困難，其一是實際的螺栓球節(jié)點受力復(fù)雜且變化；其二是室內(nèi)較難獲得相應(yīng)的腐蝕等效關(guān)系，各個地區(qū)不盡相同，增大了工作的難度。

3.2 高溫下、后螺栓球節(jié)點受力性能

黃炳生，付宜東等人針對通過高溫爐結(jié)合拉伸試驗機(jī)的方式研究了不同規(guī)格螺栓球節(jié)點的高溫下受拉性能，試驗結(jié)果表明當(dāng)環(huán)境溫度低于400℃時，節(jié)點發(fā)生脆性破壞，溫度高于400℃時節(jié)點發(fā)生延性破壞的同時承載力逐漸降低，發(fā)現(xiàn)不同規(guī)格螺栓球節(jié)點的承載力折減系數(shù)基本相同并擬合得到了節(jié)點受拉承載力隨溫度變化的折減公式。劉東宇[10]研究了完整螺栓球節(jié)點（連接了鋼管）在最高溫度為800℃等四個溫度后的節(jié)點受拉、受剪承載性能，其高溫冷卻分為自然冷卻和淋水冷卻兩種方式，研究發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，螺栓球節(jié)點的承載力逐漸降低。

不同的學(xué)者針對腐蝕、高溫下/后的節(jié)點力學(xué)性能進(jìn)行了研究，應(yīng)當(dāng)指出的是，球節(jié)點的腐蝕程度如果能在試驗中也確定，將對室內(nèi)腐蝕后螺栓球節(jié)點的性能研究起到較大的推進(jìn)作用。

4 結(jié)論與展望

本文針對螺栓球螺栓球節(jié)點的各項力學(xué)性能進(jìn)行了綜述，目前的研究主要涉及不同擰入深度對節(jié)點受力性能的影響、節(jié)點的疲勞性能、腐蝕或高溫下/后節(jié)點力學(xué)性能以及新形式螺栓球節(jié)點的受力性能等方面。在未來，螺栓球節(jié)點的研究將會更加完善而且可以較好的與在役結(jié)構(gòu)節(jié)點保持一致，進(jìn)而可以很好地預(yù)測、評估在役結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等性能。腐蝕、高溫方面的研究有待從微觀、大型完整結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行全面的研究。