鋼管結構相貫節點研究綜述

周小燕

（甘肅省建筑設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730030）

1 概述

鋼管相貫節點最初應用與平面及立體管桁架結構中，近年來由于其外觀的優越性，在許多的復雜大跨度空間鋼結構中被越來越廣泛的應用，但是由于結構體系的復雜性，鋼管相貫節點的設計也越來越復雜，往往是很多個桿件交匯于一個節點處。常用的鋼管主要是圓鋼管和方鋼管，在相貫節點中按照腹桿的位置不同，可以分為間隙相貫節點和搭接相貫節點。常用的平面相貫節點類型有T型、X型、K型，空間相貫節點則是在平面相貫節點的基礎上衍生出來的。在實際很多的空間結構中，往往是很多個桿件交匯，節點受力狀態非常復雜，已經超出了規范中的典型相貫節點的分類，整個結構在外力作用下的受力性能更依賴于節點的穩定而非構件本身的強度，節點破壞往往先于構件發生。

1.1 國內研究現狀

劉鑫剛和葛家琪[1]等結合貴陽奧體中心體育場，對承受彎矩的大直徑鋼管相貫節點進行了足尺模型極限承載力破壞試驗。通過模型試驗來研究承受彎矩大直徑相貫節點的設計承載力，并考慮偏心對相貫節點承載力的影響，指出節點腹桿的偏心會降低節點承載力，建議采用設置加勁板的方式提高節點承載力。陳以一[2]等以整體鋼管桁架為試驗加載對象，對兩種圓鋼管空間相貫節點進行靜力和反復加載試驗研究，研究了桿件的承載力與節點承載力的關系及節點的幾何特性與耗能能力的關系。武振宇[3]等對Y形矩形鋼管節點進行擬靜力試驗，分析研究了節點的延性比、承載力和能量耗散系數等參數。李自林[4]等對4組N形圓鋼管相貫節點進行了滯回試驗研究，采位移延性系數評價了節點的延性性能及耗能能力，分析了墊板加強和弦桿內填混凝土兩種加強措施對節點的延性和承載力的影響，發現弦桿內填混凝土可以有效提高節點的承載力，但會降低節點的延性；采用加強墊板的相貫節點則可以提高延性，承載力提高的幅度有限。鄭伯興和黃長華[5]等總結了目前鋼管相貫節點研究中存在的幾個較為常見的疑難問題：鋼管節點剛度假定、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范公式的使用。通過分析,總結了這幾個常見疑難問題的解決對策。楊維國和王耀峰[6]等人應用有限元軟件ANSYS對XKK型空間相貫節點進行分析，研究了相貫節點中主支管管徑比、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對節點承載力的影響，此外研究發現XKK型空間相貫節點在進入彈塑性階段后有較長的塑性區段，XKK型空間相貫節點有較好的延性能力。李斌[7]總結了管桁架節點的失效模式及識別方法，并結合具體實例對節點的失效模式進行有限元分析，并提出在加工及施工過程中相應的構造處理措施。朱邵寧和舒興平[8]運用有限元軟件ANSYS對某體育場崖蓋結構中兩個空間KK型圓鋼管相貫節點進行分析，總結了節點在荷載作用下的力學性能，并提出在滿足承載力的情況下，可對桿件的壁厚進行適當的經濟性優化。祝磊[9]結合實際工程對空間矩形相貫TX型節點進行了有限元分析，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點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型節點承載力計算的擬合公式。熊俊和石永久[10]等以北京市某空間網殼結構植物園的焊接管節點為例，采用有限元軟件ABAQUS分析了節點在各種內力組合作用下的應力、應變分布，計算了節點承載力的安全系數，分析了節點的三種破壞形態，分析探討了設置加勁肋對節點承載力的影響。鄭江、郝際平[11]等以某體育館相貫節點為例，選用合理有效的多尺度計算模型，用有限元軟件ANSYS對其在彈性及彈塑性階段的力學性能進行了分析，并提出來判別復雜空間相貫節點承載力的準則。E.M.Dexter[12]對軸向荷載作用下的搭接和小間隙K形相貫節點做了大量有限元分析，并將計算的結果與現有設計指南中的結果進行了比較。研究表明，節點的重疊部分的支撐作用可以提交節點的承載力。Scolar[13]等通過對7個V型相貫節點和5個T型相貫節點進行了軸向載荷試驗，被測試件的支弦直徑比為0.22～0.65，弦徑比為13～23。V型節點的分支之間的夾角為60°、90°或120°。試驗對比了T型和V型相貫節點試件的極限強度、剛度和應力等力學性能。在T型接頭處增加平面外支桿，當支桿之間的夾角較小時增加T型節點的強度，在夾角較大時減小T型節點的強度。

1.2 圓管相貫節點有限元分析

節點建模：選取一空間結構中典型圓鋼管相貫節點，采用通用有限元軟件ABAQUS進行計算分析，在前處理中，利用Rhinoceros軟件強大的建模技術，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行體元之間的相減運算，得到各腹桿的相貫邊緣線，刪除多余的相交處的體元，對所有交匯桿件進行布爾運算，得到鋼管相貫節點模型。

單元類型：節點采用實體單元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。節點區的選取及網格劃分：對于鋼管相貫節點，計算模型的合理選取很重要，桿件長度太長將導致弦桿過早發生彎曲破壞，而長度過短又會使弦桿出現明顯的凹凸變形，文中弦桿長度取由節點中心開始外伸約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點區域的影響。網格劃分采用ABAQUS中自由網格劃分，且對相貫線附近易產生應力集中的區域進行人工干預來細分網格以得到較好的計算結果。（如圖1所示）。

圖1 節點有限元模型

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

判別準則：以文獻11中提出的極限變形作為節點極限承載力的判別準則，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算模型中弦桿1和弦桿2軸力最大時的兩種荷載工況進行彈性分析 （見表1）。分別選取弦桿1和弦桿2在桿件軸力達到最大時的荷載工況進行內力分析。圖2為工況組合一作用下節點的Mises等效應力分布，圖中可以看出，在設計荷載作用下，節點處于彈性階段，核心區處最大應力為152N/mm2。第二步采用逐級加載的方式進行彈塑性分析，對各支管的軸力以一定的比例進行加載，圖3為加載至設計內力的2.5倍時的內力云圖，在節點核心區的最大應力為397N/mm2，鋼材進入塑性區域貫通弦桿2，此時的變形值為2.78mm，基本接近極限變形值2.81mm。

圖2 組合一作用下的Mises彈性應力分布圖

圖3 組合一作用下的Mises塑性應力分布圖

圖4為工況組合二作用下節點的Mises等效應力分布，節點基本處于彈性階段，核心區處最大應力為320.6N/mm2。第二步進行彈塑性分析，圖5為加載至設計內力的2倍時的內力云圖，在節點核心區的最大應力為520N/mm2，鋼材進入塑性區域貫通弦桿2，節點相連桿件基本已經進入屈服，此時的變形值為2.98mm。

圖4 組合二作用下的Mises彈性應力分布圖

圖5 組合二作用下的Mises塑性應力分布圖

上述鋼管相貫節點有限元分析結果表明，在正常設計荷載作用下，支管與主管相交區域的應力較大，局部出現應力集中現象，遠離相貫線處的應力越來越小，節點整體的應力分布較為平緩，且節點區域沒有出現較大的變形，應力均小于鋼材的屈服應力，當繼續對上述節點加載至正常荷載的2～2.5倍時，節點相貫線處應力明顯增大，但僅僅是在節點相貫線處的局部區域出現的明顯屈服現象，但整個節點的位移還是比較小的。通過分析表明，上述節點的設計是安全可靠的。

2 結論與展望

目前，國內對相貫節點的研究還比較少，尤其在復雜空間結構中相貫節點的復雜多樣性，規范中僅對一些典型節點的承載力做了規定，對于相貫節點的節點加強做法的研究更是比較少。文章對國內相貫節點的研究現狀總了綜述性的論述，并選取了一典型的圓鋼管相貫節點進行了有限元分析，分析結果表明在正常荷載作用下相貫節點的節點滿足設計要求。