淺述相貫節點的研究動態

石學棟

（太原理工大學，山西 太原 030024）

隨著科學技術的不斷進步，尤其是多位數控技術的產生，使得相貫節點越來越受到人們的青瞇，并不斷地展現出它自身的許多優越性。所謂的相貫節點又被稱為直接匯交節點、直接焊接節點和簡單節點。它是指不同桿件的軸線按一定角度相互連接時，在節點處只有在同一軸線上的兩個最粗的相鄰桿間貫通，其余桿件通過端部相貫線加工后，直接焊接在貫通桿件的外表的節點形式。

1 組成樣式

從空間上來分，相貫節點可以分為兩大類：平面相貫節點和空間相貫節點。平面相貫節點指的是主弦桿和其他的腹桿或者支桿均在同一個平面內；而空間相貫節點則是指所有的腹桿或支桿不僅在節點的平面內，在平面外也有腹桿或支桿，它們與主弦桿形成了一個三維空間的節點形式。人們通常把截面為圓形的弦桿形成的節點稱為圓管節點，而把截面為矩形的弦桿形成的節點稱為方管節點，包括弦桿截面為方形或矩形，而腹桿(或支桿)為圓形或方形的節點。因此，按照節點截面的形式可以將相貫節點分為：圓管——圓管相貫節點，方管——方管相貫節點，方管——圓管相貫節點以及圓管——方管相貫節點這4種形式。

常見的平面節點有:T型、Y型、X型、K型、YK型、平面KK型（也稱DK型），見圖1。常見的空間節點形式有:TT型、XX型、KK型、KT型、KX型等，見圖2。

圖1 平面相貫節點

圖2 空間相貫節點

2 相貫節點的應用

相貫節點之所以被廣泛地應用，是由于它的外觀非常簡潔，沒有那多余的外凸零件、次要構件的連接也十分方便、不需要增加節點用鋼量、施工速度快等諸多優點的存在。因此在大跨度建筑的鋼管結構中，相貫節點得到了前所未有的應用。在我國，有許多在建或已完成的重大工程都應用了此節點，如首都機場新航站樓、上海體育場[1]、虹口體育場、上海科技城、成都雙流機場新航站樓[2]、廣州新白云機場新航站樓、廣州體育館[3]、深圳機場航站樓等，都使用了相貫節點這一管節點形式。

武漢火車站[4]屋面結構采用的是正交正放的網殼結構，其節點大多采用圓鋼管相貫節點。本工程中相貫節點的支管不但數目較多，而且個別節點的主管與支管，支管與支管夾角較小，節點區的焊接焊縫重疊較多。經過統計，武漢火車站屋面相貫節點中具有8個支管的有133個，具有7個支管的有288個，其中還包括大量的具有6個支管和5個支管的節點。

國家游泳中心“水立方”[5]，該標志性奧運場館采用新型基于氣泡理論的多面體空間剛架結構，基于建筑方面造型的需要，其屋蓋和墻體的表面構件全部為矩形鋼管。屋面和墻面的交界線上以及墻面和墻面的交界線，在實際結構中是一條通長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，采用簡捷的相貫焊接的節點形式。

3 國內外研究動態

3.1 國外研究動態[6]

近20年來，各國的研究學者對相貫節點的研究做了很多工作。早在1948年原西德就對平面相貫節點進行了節點的極限強度試驗。20世紀60年代初期，日本學者對K形、X形、T形節點進行了較為詳細的試驗，并提出了有關X，T，K形節點的強度計算公式。而相貫節點的抗彎研究最早是在1976年，由Gibsetni發表的關于T形節點平面內彎曲研究報告提出。1984年，Kurbonae采用線性回歸的方法，通過對大量X，T，K形節點的試驗研究，提出了平面相貫圓管節點的強度計算公式，它日后也成為了日本建筑學會和歐洲管節點委員會制定規范的依據。這以上都是對平面相貫節點的研究，而對于空間相貫節點的研究比較落后，原因是由于節點試驗相對比較少，尤其是大型節點試驗，而且節點形式也主要局限于TT，KK，XX這集中比較特殊的節點，對于較復雜的TX，DT，KT型，僅有有限元分析，且節點受力分析主要考慮的是腹桿承受之力，而對于受彎矩作用的節點剛度以及復合受力極限狀態等力學性能研究僅有少量成果。同年，Mkaino通過對20個空間KK型節點的試驗研究，得出了兩個受壓的腹桿在弦桿表面由于間距的不同導致的不同的破壞模式，使得對空間KK型節點研究有了新的進展，這也是平面K型節點所沒有的特征。

1987—1989年，Mitsi，Nakaeho等分別開始對空間T形節點的初步研究。1990年，Mouty和Rondal研究了軸力作用下不同夾角的KK型空間管節點，同年Scolla也進行了類似試驗，并得出了在KK型節點中的破壞模式，肯定了Mkaino的研究成果。1991年，Paul進行了TT型空間相貫節點的軸力試驗，根據試驗結果進行了回歸分析，于1992年提出了兩種不同失效模式下的承載力計算公式。又在1994年通過58個空間節點試驗，使用多元回歸得出了TT型和KK型空間節點的極限承載力公式。1996年，Mkanio等建立了一個數據完備、可供研究者自由下載的圓鋼管相貫節點試驗及有限元分析的數據庫。1997年，Pkae等對K形方管節點的疲勞性能作了研究，并提出了應力集中因子公式。2000年，Zhao通過對T形節點試驗，提出了節點極限強度的確定準則，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度建議公式。2001年，Ben Young對K，X型方管相貫節點進行了相關試驗，給出了不銹鋼X，K型節點的設計準則。2001年，Pake等通過研究K型節點的疲勞性能，得出了確定應力集中系數的計算模型。

3.2 國內研究動態[7]

在國內方面，對相貫節點的研究，尤其是這20年來，研究成果十分驚人。我國的《鋼結構設計規范》GB50017—2003中，已經將平面方管節點的承載力設計公式納入其中，但對于空間相貫的方管節點，我國才剛剛開始研究，相應的規范中也并未列入這些內容。同濟大學通過與原機械部設計院在1965年進行合作，對薄壁方管桁架相貫節點進行了大量試驗。同濟大學在1988年對X型相貫節點極限承載力進行了相關試驗研究，并得出了極限承載力的分析方法，并于1993年，對X型相貫節點進行了疲勞試驗和分析。2000年，又與廣州某設計院對平面K型相貫節點進行了靜力試驗。通過大量的試驗，并以試驗數據為基礎，建立了方管節點的彎曲剛度公式，并對其強度運用有限元的方法進行了分析。2001年，陳以一等人通過對KK，XK，TK 3種類型大尺寸試件的試驗，以得出的數據為基礎分析了試件的破壞機理，并指出了由于節點區焊縫剛度過大延性不足，可能使節點管壁極限強度得不到充分發揮。2004年，王元清等對腹桿是圓管弦桿為方管的空間相貫節點的極限承載力進行了有限元分析，得出了支管是腹桿弦桿為方管的空間相貫節點的受力性能。2007年，陳譽、彭興黔通過使用ANSYS有限元分析軟件，運用solid45的8節點實體單元類型對平面和空間相貫節點試件進行了非線性有限元分析，在研究過程中，發現了小尺寸試件很難模擬實際焊縫、殘余應力、局部變形對節點的影響等，因此，試驗作為實際節點承載力計算公式的建立基礎，應當重視大比例試件的試驗。

4 結束語

由于鋼管相貫節點的幾何形狀和各種參數對其受力性能的影響十分復雜，對管節點進行精確的理論分析目前尚有較大的困難。雖然半個世紀以來國內外學者們對平面和空間相貫節點的不同節點形式進行了大量的試驗研究和理論分析，但是由于試驗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，還需要在以下幾個方面作進一步的研究：

（1）各國規范中鋼管相貫節點極限承載力計算公式都是以平面相貫節點為基礎的，而沒有空間相貫節點的相關計算公式。

（2）相貫節點的承載力計算公式的建立，還需依靠大量的試驗數據進行回歸。

（3）疲勞破壞的研究。由于在海洋平臺結構中相貫節點的疲勞破壞有較多的研究，而其在房屋建筑結構中的研究還需進一步的開展。

[1]沈祖炎，陳揚驥，陳以一.上海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，（2）.

[2]李常虹.成都雙流國際機場T2航站樓鋼結構屋蓋相貫節點極限承載力分析[J].建筑結構.2010，（9）.

[3]陳國棟，郭彥林，葉浩文等.廣州市新體育館屋蓋吊裝及拆撐過程動態分析[J].建筑結構.2002，32（1）.

[4]劉曙，王輝.武漢火車站多管相貫節點試驗研究[J].施工技術 2010，7，39（7）.

[5]趙鵬飛，錢基宏.單項受力狀態下矩形鋼管相貫節點的承載力研究[J].建筑結構學報.2005，26（6）：54-63.

[6]徐丹.空間TT形方管節點靜力工作性能的有限元分析[D].武漢大學.2005.

[7]趙雅.大尺寸復雜空間相貫節點極限承載力足尺試驗研究[D].北京交通大學.2010.