鋼管結構相貫節點的研究現狀

汪福義,徐偉煒,王小平

(武漢理工大學土木工程與建筑學院，武漢 430070)

鋼管結構最早應用于海洋平臺，具有承載力高、抗扭剛度大、穩定性高、外觀簡潔及節約鋼材等優點。相貫節點是鋼管結構常用的節點形式。隨著多維數控切割技術的逐漸成熟，鋼管結構中相貫節點切割困難的難題得以解決[1]，使其得到了很好的推廣和應用，國內外學者也對此類節點進行了大量的試驗研究和分析。該文在查閱大量國內外參考文獻的基礎上，總結了相貫節點的研究現狀和主要成果，以期為相貫節點的進一步研究提供參考和依據。

1 相貫節點分類及研究方法

1.1 相貫節點的分類

鋼管結構相貫節點一般按照桿件的截面形式、外型和腹桿的相對位置進行分類。根據鋼管結構相貫節點中桿件的不同截面形式，相貫節點一般可分為圓管相貫節點、方管相貫節點、方圓管相貫節點三種類型，在20世紀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點，稱為圓管-H型鋼節點或方管-H型鋼節點；按照相貫節點的外型劃分，常見的平面相貫節點分為T型(Y型)、X型、K型、KT型(KY型)等形式，而常見的空間相貫節點可分為TT型、XX型、KK型、KKT型、KT型、KX型等形式；按照相貫節點腹桿的相對位置劃分，相貫節點分為搭接節點和間隙節點，搭接節點的腹桿間相互重疊，間隙節點的腹桿間無重疊部分，如圖1所示。它們的受力有明顯的區別，其中搭接節點的受力受腹桿搭接順序的影響較大。

1.2 相貫節點的研究方法

從1950年開始，人們嘗試了多種研究方法對相貫節點進行研究，主要包括試驗研究與理論分析兩大類。試驗研究法包括試驗法和試驗統計法兩種研究方法，其中，試驗法是采用1∶6至1∶2.5的試件模型，試件的邊界條件、荷載、焊縫等試驗因素的模擬需與實際構件相符合，在試驗模型相應位置布置應變片、位移計等以測量節點的受力性能的一種研究方法，可以得出節點承載力、應力分布、變形等受力特性，為設計提供可靠的依據；試驗統計法主要利用試驗和數學相結合的方法得到節點受力性能的計算公式，但由于試驗和節點類型的多樣性，導致計算公式并不全面。理論分析法包括數值模擬法和有限元法，其中，鋼管結構相貫節點受力性能的數值模擬最早采用的是薄殼理論，而簡化分析方法常包括環模型法、沖剪模型法、塑性鉸線模型法等，但均十分復雜。隨著計算機水平的發展，有限元分析方法因其建模簡單和計算結果精確而得到廣泛的運用，且人們常采用試驗與有限元相結合的分析方法，即通過試驗得出的數據與有限元進行對比，從而驗證有限元建模的正確性，在此基礎上進一步進行節點的參數分析。

2 圓管相貫節點的研究現狀

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

3 方管相貫節點研究現狀

鋼管結構方管相貫節點的研究大約始于20世紀80年代。1982年，Packer[10]對K型、T型和十字型矩形節點進行試驗研究，同時利用塑性鉸線法推導出K型矩形節點承載力計算公式，與試驗數據對比驗證了其正確性。試驗研究表明，T型和十字型等寬矩形節點破壞模式主要表現為弦桿側壁局部塑性破壞。1988年，Bauer[11]對TT型、KK型空間方管節點進行靜力試驗，其中弦桿受軸拉力，并進行參數研究，建立了兩種塑性鉸線分析模型。1990年，沈祖炎等人[12]對方管節點進行了大量的參數分析，并推導得到該類型節點承載力計算公式，為我國相關規范的制定提供了依據。2003年，武振宇、武勝利用有限元分析的方法對K型間隙方管節點進行相關性能的研究，發現此類節點的破壞形式主要表現為節點發生整體的剪切變形破壞。2004年，陳以一、彭對方管節點在彎矩作用下的力學性能進行試驗研究。文中指出，節點相貫區域受力復雜，出現應力集中和傳力彎折現象，從而降低了節點的剛度和強度，并得出節點彈性抗彎剛度計算公式和分段變剛度模型。2016年，武振宇、董立松對K型間隙方管節點進行靜力承載力試驗研究，提出弦桿上翼緣設置貼板加強的節點并進行試驗研究，試驗表明貼板加強有效地提高了節點的極限承載力且提高的程度與貼板的長度有關。利用有限元分析對現有計算公式提出修正系數，并分析了各桿件截面尺寸對節點效率的影響從而提出合理的加強板尺寸。

4 方圓管相貫節點研究現狀

20世紀70年代，隨著方圓管相貫節點的應用，國內外也開展了相關的研究。Packer提出對于方圓管節點，將圓管尺寸乘以π/4代入方管節點承載力計算公式中，但各國規范卻按照整體公式乘以π/4來計算承載力。關于這兩種“支管轉化方法”沒有得到試驗數據的驗證。1998年，Gandhi等人對T型方弦桿圓腹桿節點進行抗震性能研究，認為此類節點應力集中系數較小，介于方管節點和圓管節點兩者之間。2001年，劉建平等人利用有限元對K型方圓管節點進行分析，得出幾何參數對節點承載力的影響，并提出不同破壞模式下節點加強方法。2004年，Mashiri等人對T型方圓管節點進行抗彎性能和疲勞性能研究，文中采用二次外推法推導出節點應力，建立節點平面內抗彎承載力計算公式，并提出節點應力集中修正系數。在2006年至2008年期間，舒興平、朱正榮等人對N型搭接方圓管節點進行足尺試驗和有限元分析。研究表明，在相貫區域，方圓管節點應力分布與圓管節點基本一致；當弦桿作為焊接管時，節點焊縫宜布置在方管處；將試驗與有限元數據進行對比分析，提出承載力影響系數。

5 H型鋼弦桿相貫節點研究現狀

弦桿為H型鋼的相貫節點具有承載力大、安裝和使用方便等優勢，但相關的研究較少。2002年，王元清、曾文平等人對圓管腹桿-H型鋼弦桿節點進行有限元非線性分析，利用四邊形殼單元進行模型模擬，并對計算結果進行分析，得出節點在軸力和平面外彎矩兩種工況下的承載力計算公式。2013年，陳譽、魏琳、吳穎等人對T型和X型節點進行靜力性能分析，節點為方、圓管腹桿-H型鋼弦桿節點。通過試驗和有限元參數分析，對比不同類型節點破壞模式、極限承載力等受力性能，分析了此類節點的受力性能和幾何參數的影響，同時將其與歐洲規范進行對比分析，提出修正系數。2017年，陳勝[13]對圓支桿-H型鋼弦桿KT型搭接節點進行了靜力承載力試驗研究，并對弦桿設置加勁板的加強節點進行了試驗研究，研究表明加勁板的設置使得節點剛度和極限承載力提高。同時利用有限元軟件提出了幾種節點加強方法。

6 結 論

鋼管結構相貫節點一般按照截面形式、外型和腹桿的相對位置進行分類，主要通過試驗與理論分析進行研究。鋼管結構中的圓管相貫節點、方管相貫節點、方圓管相貫節點及H型鋼弦桿相貫節點的國內外研究成果主要是各相貫節點的極限承載力表達式、破壞模式、參數對節點承載力和剛度的影響和節點加強的方法。

[1] 陳以一，陳揚驥.鋼管結構相貫節點的研究現狀[J].建筑結構，2002，32(7)：52-55.

[2] 鷲尾健三，東鄉武，三井宜之.日本建筑學會論文報告集[M].東京：日本建筑學會，1967.20-27.

[3] Gibstein M B.The Static Strength of T-joints Subjected to in-plane Bending[J].Det Norske Veritas Report,2011,4(1):790-794.

[4] Kurobane Y,Makino Y,Ochi K.Ultimate Resistance of Unstiffened Tubular Joints[J].Journal of Structural Engineering,ASCE,1984,110(2):385-400.

[5] Paul J C,Makino Y,Kurobane Y.Ultimate Resistance of Unstiffened Multiplanar Tubular TT and KK Joints[J].Journal of Structural Engineering,ASCE,1994,120(10):2853-2870.

[6] 沈祖炎，陳揚驥，陳以一,等.上海市八萬人體育場屋蓋的整體模型和節點試驗研究[J].建筑結構學報，1998，19(2)：2-10.

[7] 陳以一，王 偉，趙憲忠,等.圓鋼管相貫節點抗彎剛度和承載力實驗[J].建筑結構學報，2001，22(6)：25-30.

[8] 舒興平,鄭伯興.KT型相貫節點極限承載力非線性有限元分析[J].湖南大學學報(自然科學版)，2006，33(6)：1-5.

[9] 趙憲忠，陳 譽，陳以一,等.平面KT型圓鋼管搭接節點靜力性能的試驗研究[J].工業建筑，2010，40(4)：108-111.

[10] Packer J A.Ultimate Strength of Gapped Joints in RHS Trusses[J].Journal of Structural Engineering,ASCE,1982,108(2):411-431.

[11] Bauer D,Redwood R G.Triangular Truss Joints Using Rectangular Tubes[J].Journal of Structural Engineering,ASCE,1988,114(2):408-424.

[12] 沈祖炎，張志良.焊接方管節點極限承載力計算[J].同濟大學學報，1990，18(3)：273-279.

[13] 陳 勝.圓支管-H型鋼弦桿KT型相貫節點承載力研究[D].武漢：武漢理工大學，2017.