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钢管结构相贯节点的研究现状

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钢管结构相贯节点的研究现状 钢管结构相贯节点的研究现状 陈以一 陈扬骥 (同济大学钢结构研究室.上海200092 提要倚述铜管结构和相贯节点的类型.国内外研究进展,同济大学近年的试验和分析工作.并提 出了作者对相贯节点进一步研究课题的看法. 关键词钢管结构相贯节点研究评述 一、钢管结构、节点与相贯节点 (一)概述 钢管结构是随近代钢铁业的钢管生产技术成熟逐渐发展起来的。 就钢构件形式来说,最早为圆钢管结构;随后出现了方钢管结构、方钢管与圆钢算 组合在一起的结构。现在,钢管结构甚至不再仅是“钢管”结构了:钢管作为建筑物的 支柱...

钢管结构相贯节点的研究现状
钢管结构相贯节点的研究现状 陈以一 陈扬骥 (同济大学钢结构研究室.上海200092 提要倚述铜管结构和相贯节点的类型.国内外研究进展,同济大学近年的试验和分析工作.并提 出了作者对相贯节点进一步研究课 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 的看法. 关键词钢管结构相贯节点研究评述 一、钢管结构、节点与相贯节点 (一)概述 钢管结构是随近代钢铁业的钢管生产技术成熟逐渐发展起来的。 就钢构件形式来说,最早为圆钢管结构;随后出现了方钢管结构、方钢管与圆钢算 组合在一起的结构。现在,钢管结构甚至不再仅是“钢管”结构了:钢管作为建筑物的 支柱,可与工字形截面或其他开口截面的钢粱构成框架结构;-在以开口截面杆件为主的 结构中,也可见作为其子结构的钢管桁架、网架等;再进一步,钢管内填入混凝土后, 形成又一种完全新颖的结构型式:钢管混凝土结构,但其基本构成之一仍然是钢管。 就结构体系而言,平面或空间的桁架、网架、网壳、框架都可以采用钢管结构,在 现代工业厂房、仓库、体育馆、展览馆,会场、航站楼,车站,以及办公楼,商住楼、 宾馆等建筑中广泛应用。近20年来.钢管结构在我国得到迅猛发展。 钢管结构在建筑结构中的逐步“普及”.与铜管自身的优点密不可分.圆管和方管的 对称截面形式使得截面惯性矩对各轴相同.有利于单一杆件的稳定性设计;截面舶闭合 提高了抗扭刚度;对板件局部稳定性而言.闭合截面也优于有悬挑板件的开口截面:这 些无疑都是结构工程师所欢迎的。在许多场合下,建筑师也愿意利用钢管外观简洁的特 点。钢管外 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面积相对同样承载性能的开口截面钢构件往往要小,这就减少了防腐防火 涂层的材料消耗和涂装工作量,加上钢管加工的便利性,为制造商和业主带来明显的经 济利益。虽然就材料单价而言,钢管价格高于普通开口截面型式的型钢,但上述这些优 点综合起来.仍使钢管结构成为众多方面可以优先选用的基本结构型式之一。 钢管要组成结构,必须解决杆件连接的节点方式。目前工程中使用钢管结构节点类 型有:螺栓球节点、焊接球节点、铸钢节点、法兰节点、外加劲板连接节点、内加劲板 227 连接节点、相贯节点、多种型式的组合节点.等等。其中.螺栓球、焊接球节点主要用 于圆钢管之间的连接,其余节点则可用于圆管对圆管、方管对方管、圆管对方管的连接, 加劲板式节点还可用于钢管和其他截面型式的杆件的连接。 相贯节点又称简单节点(simplejoim)、无加劲节点(unsti旋∞dioint)或直接焊接节 点。节点处,只有在同一轴线上的两个最粗的相邻杆件贯通,其余杆件通过端部相贯线 加工后,直接焊接在贯通杆件的外表;非贯通杆件在节点部位可能互相分离,也可能部 分重叠。相贯线切割曾被视为是难度很高的制造工艺,因为交汇钢管的数量、角度、尺 寸的不同使得相贯线形态各异.而且坡口处理困难,在空间结构中,难度更大;但随着 多维数控切割技术的发展,这些难点已被克服。目前国内一些企业装备了这一技术,相 贯节点在大跨度建筑的钢管结构中得到前所未有的应用。近10年来完成或在建的一些重 大工程,如上海体育场、虹口体育场、广州体育馆,首都机场新航站楼、深圳机场航站 楼、成都双流机场新航站楼、上海科技城、广州新白云机场航站楼等.都使用相贯节点. 采用计算机数控加工技术使相贯线加工变得非常简单.圊管、方管皆然.在这种前 提下,相贯节点就体现出许多优越性。如外观简洁明快;没有外凸的节点零件,使得次 要构件连接方便:不需要增加节点用钢材等。广州体育馆建造时,设计者根据试验研究 结果,取消了初步设计时考虑的钢管内加劲板,大大减少了制造工作量、节约了钢材。 但结构工程师必须认识到,采用相贯节点的钢管结构与采用其他节点型式的钢管结 构相比.一个显著区别表现在于,杆件和节点设计的独立性减小,决定杆件承载性能的 那些材料和几何的要素,也同时决定了节点的性能。合理的设计应寻求杆件和节点力学 性能的最佳结合点。为此,结构工程师需对节点的力学性能有深入的了解. (二)相贯节点的几何分类 按几何形式分类.节点 可以分为平面节点和空间节 点两大类。前者为所有杆件 轴线处于同一平面或几乎处 于同一平面内的节点,否则 便是空间节点。在节点处贯 通的钢管通常称为主管或弦 杆(chord);其余则称为支管 (branch)或腹杆(brace)。 空间节点中非主承重面内的 杆件称为支杆以区别于腹 杆。弦杆截面为圆管的节点, 通常称为圆管节点:弦杆截面为方管或矩形管的节点则称为方管节点,包括弦杆为方管 或矩形管而腹杆为圆管的节点。工程中较多遇到的平面节点如上图所示:T形(或Y形)、 x形、K形、YK形(即在弦杆一侧有三根腹板的情况)。此外还有KK形(也称DK形, 即DoubleK之意,为区别后文提到的空间KK形,此处一般称为平面KK形)。方管节点 228 主要型式亦然。 国内称为空问 节点的节点形式在 英文文献中~般称 为多平面节点 ( Mu¨pIarl8r ioint)。工程常见 的节点型式如右图 所示,包括TT形、 XX形、KK形、KT 彤、Kx形等。 平面节点的互相组 合(共用一根弦 杆),可以形成多种样式的空间形式.所以实际空间节点的种类决不限于上述几种。 方管为弦杆的节点,方管可以偏转45度后与腹杆连接;空间曲线桁架和网壳中的节 点.弦杆并非直线,这些都增加了空间节点型式的变化. (三)相贯节点按剐度性质的分类 在大多数结构中.相贯节点仅作为铰接节点处理,原因在于细长杆件的端部约束弯 矩不大;有些情况下则由于弦杆管壁抗弯刚度较小。但是.相贯节点在一定条件下可以 也必须实现刚性连接的要求。 二、相贯节点静力承载性能的试验研究 圆钢管节点试验研究历史较长,积累的试验数据也较多。 据介绍,相贯节点最早的研究是1948年由前西德实施的钢管节点极限强度试验‘1)。60 年代起,鹫尾、黑羽(2)、金谷‘3)对K形、T形、x形节点进行了比较系统的试验。提出T、 x形节点强度计算公式,并据此提出K形节点强度计算公式形式(圆钢管)。l筇7年,. 鹫尾进行了系统的K形节点参数实验.按参数Y(叫”)、8(d/D)、o,g/D等,进行 106个试件的实验,得出K形节点承载力试验公式【4).APIP蹿A第一版设计指南采用了此 项成果。1976年,Gibstein发表了关于T形节点平面内受弯的研究报告(5),是相贯节点 抗弯研究方面最早的研究成果。1981年Sparrow等发表了轴力和双向弯矩作用下T形节 点的试验结果(6)。这些成果为Wardenier建立有关计算公式提供了基础(7)。1984年, Kurobane采用回归方法,整理73个X形节点、50个T形节点、398个K形节点试验结果, 提出了能够覆盖弦杆直径60~5lo珂m、钢材屈服点270~500她的圆钢管平面节点强度计 算公式(8),成为日本建筑学会、欧洲管节点委员会制定设计指南的依据。同年.妇kino 在其博士论文中发表了20个空间l【l(形节点试验结果(钟,指出两受压腹轩在弦杆表面间距 不同将导致不同的破坏模式,这是平面K形节点所没有的特征。1987年至89年imtsi、 Nakach0等分别开始空间TT形节点的初步研究,1990年,scolla等实施了TT形节点的 229 试验,肯定了前述KK形节点的破坏模式在订形节点中同样存在(to)。1994年,Paul又根 据58个空间节点的试验结果,使用多元回归方法得出TT形和KK形空间节点的极限承载 力公式{¨)。1996年.Makino等建立了数据完各、可供研究者自由下载的圆钢管相贯节点 试验及有限元分析的数据库(12),最新的数据更新于1998年。 研究过程中,各国学者逐步认识到:(”由于相贯节点形状复杂,由纯分析方法估 计节点承载力受到限制(8),管节点的承载力计算公式建立在很大程度上需依靠试验数据的 回归(8);(2)小尺寸试件难以模拟实际节点中焊缝、局部变形影响等,作为实际节点承载 力计算公式的评估基础,应当重视足尺或大比例试件的试验结果‘13)。 方钢管相贯节点的系统试验研究起步稍迟,,原因是方钢管的开发成功始于1952年。 英国于1960年代开展了有关工作,1970年Ea咖yood和wood发表的有关方管节点试验 和理论研究的报告c”)是被认为是早期的重要文献。70年代欧洲、加拿大、日本等国进行 了大量的试验和研究工作,80年代以后.澳洲、中国等也相继发表了研究结果。文献(18) 对这些成果进行了介绍。 根据试验观察和分析,相贯节点主要破坏模式有:(1)弦秆管壁的塑性破坏.由腹 扳内力中垂直弦杆杆轴的分力导致管壁产生局部弯曲所致;(2)弦杆为方管或矩形管时, 弦杆腹板发生板件鼓曲变形,这是弦杆腹扳在翼板局部应力造成的板缘弯矩作用下产生 的变形,形式上类同板件失稳;(3)弦杆管壁冲剪破坏,严重时管壁被彻赢剪断;(4) 腹板与弦杆的连接焊缝破坏.此外,腹板在靠近弦杆处发生局部失稳、以及杆件失稳或 断裂,但这些在试验中观察到的现象,归为杆件破坏范畴更合适. 从大量试验现象中.研究者们归纳出节点几何形状及其尺度中与承载强度有关的主 要因素有:(1)弦杆壁厚.壁厚越大,节点承载强度越高,当节点设计由前述第一种破 坏模式控制时,显然节点承载强度与弦杆厚度的平方成正比;(2)腹杆与弦杆的外径(宽 度)比,比值越小,对圆管节点承载越不利;在方管节点中,该比值较小时可能导致弦 杆翼板破坏,较大时则可能导数弦杆腹板先行破坏:(3)腹枰对弦杆的倾角,倾角较大 时,腹板轴力垂直弦杆轴线的分量变大:(4)K形节点中腹杆间隙也对节点承载性能有 影响,其他条件相同时,腹杆间隙较大者节点承载强度较低,空间K形节点中.与弦杆 不共面的两邻腹杆间距不同,造成破坏模式和承载力的不同。(5)节点承载强度也与节 点的受力情况有关。弦杆轴压力大小对节点承载力有一定影响:空间节点中,支杆轴力 的符号及大小,直接影响节点承载强度。 : 三、节点计算分析 。 (一)分析模型 节点分析模型大致有两类.第一类是简化模型.例如圆管节点分析中的环模型;针 对弦杆管壁塑性弯曲破坏模式,建立的塑性铰线模型,应用在圈臂和方管两种类型的节 点形式中(21.23)。第二类则是比较精确的有限元分析模型。随着弹塑性单元和非线性数值 解法的发展.以及近年计算机硬件水平的飞速提高.有限元分析模型逐渐成为节点分析 模型的主流(24)。文献(18)对1996年以前文献的综合评述中还介绍了半解析芈数值方法。 (二)数值计算的任务 虽然大多数计算公式建立在试验数据的基础上,但试验数据同样有其局限性。试验 成本和加载设备的限制.使得试验数据不可能覆盖工程节点实际尺寸的全部范围;尽管 试件客观上包含了材料、制作、构造特性等多种影响,但难以将这些因素定量地区别出 来;试件的边界条件不可能和实际结构中的约束完全一致,只能是一种近似,这一点与 分析模型有相同的性质。为此,人们仍然大量地通过模型计算得到一些规律性的认识。 多年来,研究者希望通过数值计算解决的问题主要有:节点各种参数对承载力影响 的量化分析,以及节点极限承载力计算.作为试验数据的补充;节点区的应力分布,以 确定应力集中系数,为疲劳验算提供一定的依据:应用断裂力学理论,计算和分析腹杆 焊缝的开裂机制:对节点刚度进行量化分析:对试件参数设定的合理性进行探讨等。 四、相贯节点静力强度计算公式 (一)极限承载力(强度)的确定 相贯节点试验观察到的破坏模式主要有图示的3 种典型曲线。图中的纵坐标为腹杆轴力(通常为压 力),横坐标为弦杆管壁变形(通常为凹陷变形)。曲 线A在一定的变形范围内出现腹杆轴力的极值点; 曲线B在极值点后,随变形继续发展,腹杆轴力又 呈上升趋势;曲线C则在很大的变形范围内未能记 录到极值点,因试验条件限制.加载无法继续下去。 由于节点的破坏(不论具体破坏模式如何)由腹杆传 递的力引起,破坏时的腹杆轴力可以作为节点极限承载力考虑,这里,如何界定节点的 “破坏”是关键问题。例如在曲线c的情况下,虽然未达到腹杆轴力的极值,但节点区 过度塑性变形使得与节点相连的杆件出现“刚体位移”,影响结构的整体承载性能.节点 焊缝也因无法追随弦杆管壁变形而出现裂纹。为此,文献(25)提出了极限变形的概念作为 对极值轴力的一种补充,即由腹杆轴力极值和管壁极限变形这两个临界状态中先期到达 者对应的腹杆轴力作为节点的极限承载力。 以腹杆轴力的极值点作为极限状态,可以从试验曲线得到明确结论,管壁扳限变形 如何界定则需要研究。同济大学针对圆钢管节点的试验提出建议,将弦杆管壁塑性变形 达到圆管直径的O.2%作为极限变形,与数据库公布的试验数据及若干规范计算公式的结 果相对照,在承载力的判断上比较接近。 (二)设计规范的承载力计算公式 节点极限承载力计算包括焊缝承载力和弦杆营壁承载力计算两个方面。 一些钢结构或钢管节点的设计规范中,有关圆管节点弦杆管壁的承载力计算公式, 主要针对塑性弯曲变形的破坏模式,平面节点考虑的主要困素为:弦杆厚度T(弯曲强度 与T的平方正比)、腹杆轴线对弦杆轴线的倾角o、弦杆径厚比参数Y(D,2T)、腹杆与 弦杆的直径比参数B(d/D)、腹杆之间的相对间隙g/D,并将其表达为若干个包含这些因 23l 子的函数乘积。Eurocode(26)、CIDEcT指南{27)、日本钢管结构指南(I)、我国钢结构规范等 的计算公式形式相似,但在概念上略有差别。例如上述的前3种设计文件中,在其余参 数都相同的条件下,K形节点承载力低于Y形节点承载力:而我国钢结构规范则相反。 从与试验数据的比较看,我国钢结构规范Y形节点的计算公式吻合程度更好一些.但若 考虑到Y形节点中只有一根腹杆,减缓了K形节点由于拉压腹杆交界部位弦杆管壁变形 导致的局部塑性变形,似前3种规范公式在概念表达上更准确一些。我国规范公式与试 验吻合较好的一个原园,可能在于被加载的Y形节点试件在弦杆上有剪力及弯矩存在, 与计算公式形式只考虑轴力影响是有区别的。美国Aws规范f28)和我国海洋平台规范f29) 则考虑了冲剪破坏的计算公式。Aws规范中抗冲剪剪应力大小与弦杆管壁厚度、腹杆与 弦杆的直径比、腹杆间相对间隙等有关。一些文献已建立空问节点计算公式,但目前采 用的方式是将平面节点计算承载力乘以折减系数,尚未将有关空间节点特性的因素直接 引入公式。 方管节点的承载力则针对弦杆翼缘塑性破坏、剪切破坏、腹扳局部变形破坏等多种 模式进行计算。文献(30)详细介绍了国际焊接协会(11w)的计算公式。 五、同济大学对相贯节点性能的研究 同济大学1965年就与机械部设计院合作进行过2-3mm薄壁方管桁架的相贯节点试 验。1988年对x形方管节点极限承载力进行了试验研究.在此基础上提出了极限承载力 的分析方法(】9);1993年,对80x4mm焊接方管平面x形节点进行了疲劳试验和分析。 近年同济大学结合国内工程实践,先后实施了多项大尺寸钢管相贯节点的试验研究。 1995年至2000年,与上海建筑设计研究院合作,对圆管平面K形、圆管空间l(1(、KT、麟 节点分别进行静力单调和反复加载试验,试件尺寸为324x12.5—457虹0mm(o‘o札2000年, 与广州设计院合作.进行了方钢管平面K形节点静力试验,弦杆尺寸为250x14mm(20):同 年与西南建筑设计院合作,对168x12nun~35lxl6mm的圆钢管平面x、KK形节点进行了 不同轴力、弯矩比下的刚度和极限承载力试验。 以试验数据为依据,我们建立了圆钢管节点的三重屈服线分析模型、方钢管节点的 弯曲刚度公式,并应用有限元方法,对平面和空间节点进行有关强度分析。同时,以圆 管节点数据库为基础.综合自己的试验成果.提出了空间圆钢管静力强度计算公式的建 议值。 六、对进一步研究课题的思考 随着国内采用相贯节点的大跨度钢管结构的发展,提出了不少需进_步解决的问题。 (1)规范尚未覆盖的节点形式,其杆件以承受轴力为主时的静力强度计算问题。例 如平面节点中,对3根腹杆汇交于弦杆同侧或KK形节点,其强度计算公式尚未引入我 国规范。空间节点的形式多样,例如Kx、KT等常见的节点形式还无强度计算实用公式。 (2)腹杆部分搭接节点的强度计算公式问题。虽然试验已经表明这类节点的强度明 显高于有间隙节点,但设计计算公式仍将这种情况归结为间隙为零的节点。 232 (3)已有空间节点计算公式的精度问题。现有公式的形式还相当粗糙.一些对空间 节点有重要影响的参数,如KK节点中轴力同号的两个腹杆的间隙的影响尚未得到反映。 (4)腹杆连接焊缝对节点强度的影响问题。已有分析表明,是否考虑焊缝的加强作 用,对估计节点承载力的高低会有若干偏差(3I)。 (5)节点在腹杆轴力、弯矩联合作用下的承载强度问题。钢结构设计规范尚未提出 这方面的计算公式。工程师通常把钢管结构全部当作铰接杆系处理,在一些情况下带来 过于保守或偏不安全的结果。 (6)节点刚度问题,包括轴向剐度和弯曲刚度。相贯节点依赖钢管几何外形及其壁 厚产生的刚度,这也决定了其刚度会显得“弱”一些。但这种“弱”是相对的,相对厚 的管壁会产生工程上足够“剐”的节点。不能正确评价节点刚度,就不能正确决定结构 体系的基本计算模型、特另H对结构动力性能判断带来误差。 (7)疲劳破坏问题。在海洋平台结构中已经得到较多研究的疲劳问题,其成果还未 被引入到建筑结构中来。 (8)反复荷载作用下的弹塑性滞回性能问题。 (9)节点焊缝抗断裂性能问题。试验中常见的破坏现象之一就是按规范计算的焊缝 先于节点的其他破坏形式而发生;也有在弦杆管壁变形并不十分严重时,相贯线趾部焊 缝首先开裂。对此进行分析,提出相应的设计准则,是需要解决的一个重要的课题。 参考文献 (1)日本建筑学会,钢管构造设计施工指针同解说,1990 (2)鹫尾健三、黑羽启明,钢管}于^节点。研究,日本建筑学会论文报告集.196I (3)金谷弘.铜管接台部。局部变形忙关卡6实验的研究,日本建筑学会论文报告集,196l (4)鹫尾健三、东乡武、三井宜之.钢管},^节点弦材管。关卡番实验的研究,日本建筑学会论文 报告集,1967 (5)G.bstcin,MB,Thestalics讹ngcIlofT{oinB巍lbjcccedloin.pI越cbcrId_mg,D赶Norslcevc—t矗sRepon 76·137.1976 (6)spa盯oⅥK.n,stamenkovjc,A.,Exp盯jm如taJdot蚴jn融j棚offhcb蛐缸忙咖如s£r饥弛orTjojnts,n circularhollowsIceIsectionssubjcctsto科iaI锄dmmc晴Pmc.1毗.Con£’“瑚ntsin钳dctufaIS眦I V,ork”.1hside,198I (7)Ⅶ锰fdcnie‘J.,H01lowScc亡ionJo血魄DdnUnivc幅i妙Press,1982 (8)KurobaIlc.Y,UIIlmaleR皓ist柏ceofUnstif诧nedTubu姗Joints'AScE,Ⅷ.106,s111984 (9)Makino,Y,Expcrim∞酬studyonu|llmaIcc叩acity柏ddefonn砒i幽fbrtubul盯jo.m峨Docto叫 disscnatioll'OsakaUn{vers计弘I州 。 ’ ? 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分类:金融/投资/证券
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