钢管结构相贯节点的研究现状

汪福义,徐伟炜,王小平

(武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉 430070)

钢管结构最早应用于海洋平台，具有承载力高、抗扭刚度大、稳定性高、外观简洁及节约钢材等优点。相贯节点是钢管结构常用的节点形式。随着多维数控切割技术的逐渐成熟，钢管结构中相贯节点切割困难的难题得以解决[1]，使其得到了很好的推广和应用，国内外学者也对此类节点进行了大量的试验研究和分析。该文在查阅大量国内外参考文献的基础上，总结了相贯节点的研究现状和主要成果，以期为相贯节点的进一步研究提供参考和依据。

1 相贯节点分类及研究方法

1.1 相贯节点的分类

钢管结构相贯节点一般按照杆件的截面形式、外型和腹杆的相对位置进行分类。根据钢管结构相贯节点中杆件的不同截面形式，相贯节点一般可分为圆管相贯节点、方管相贯节点、方圆管相贯节点三种类型，在20世纪90年代，人们提出了弦杆使用H型钢、腹杆使用圆管或方钢管的组合截面节点，称为圆管-H型钢节点或方管-H型钢节点；按照相贯节点的外型划分，常见的平面相贯节点分为T型(Y型)、X型、K型、KT型(KY型)等形式，而常见的空间相贯节点可分为TT型、XX型、KK型、KKT型、KT型、KX型等形式；按照相贯节点腹杆的相对位置划分，相贯节点分为搭接节点和间隙节点，搭接节点的腹杆间相互重叠，间隙节点的腹杆间无重叠部分，如图1所示。它们的受力有明显的区别，其中搭接节点的受力受腹杆搭接顺序的影响较大。

1.2 相贯节点的研究方法

从1950年开始，人们尝试了多种研究方法对相贯节点进行研究，主要包括试验研究与理论分析两大类。试验研究法包括试验法和试验统计法两种研究方法，其中，试验法是采用1∶6至1∶2.5的试件模型，试件的边界条件、荷载、焊缝等试验因素的模拟需与实际构件相符合，在试验模型相应位置布置应变片、位移计等以测量节点的受力性能的一种研究方法，可以得出节点承载力、应力分布、变形等受力特性，为设计提供可靠的依据；试验统计法主要利用试验和数学相结合的方法得到节点受力性能的计算公式，但由于试验和节点类型的多样性，导致计算公式并不全面。理论分析法包括数值模拟法和有限元法，其中，钢管结构相贯节点受力性能的数值模拟最早采用的是薄壳理论，而简化分析方法常包括环模型法、冲剪模型法、塑性铰线模型法等，但均十分复杂。随着计算机水平的发展，有限元分析方法因其建模简单和计算结果精确而得到广泛的运用，且人们常采用试验与有限元相结合的分析方法，即通过试验得出的数据与有限元进行对比，从而验证有限元建模的正确性，在此基础上进一步进行节点的参数分析。

2 圆管相贯节点的研究现状

早期钢管结构节点的研究主要集中在圆管相贯节点。1967年，鹫尾健三等人[2]对K型、T型和X型的圆管节点进行了详细的静力试验研究，并分析了参数β，γ，τ对K型节点性能的影响，得出节点极限承载力计算公式。20世纪70年代末，Gibstein[3]对T型圆管节点进行平面内受弯性能的理论研究，得出节点抗弯性能的分析方法。1984年，Kurobane[4]对圆管节点进行大量的试验研究，包括398个K型、73个X型和50个T型节点，拟合得出相应类型节点的极限承载力计算公式，并为相关规范的制定提供依据。1994年，Paul[5]依据圆管节点的试验数据，得出KK型、TT型空间节点的极限承载力计算公式，并提出公式修正系数μ(适用范围0.5～1.3)。1998年，沈祖炎等[6]进行了整体桁架1:35比例模型试验和K型圆管节点试验，试验表明直接焊接相贯节点的塑性性能好，同时证明了我国规范计算公式的合理性。2001年，陈以一等人[7]在同时考虑几何参数和荷载组合影响的前提下，对双K型节点进行受弯性能研究，得出：圆管节点在腹杆处于弹性阶段时，节点可按全刚接节点进行设计。2006年，舒兴平、郑伯兴等人[8]对KT型圆管节点进行有限元分析，考察不同影响参数下节点的受力性能。研究表明：在不同几何参数下，节点破坏主要表现为腹杆轴向屈曲和弦杆局部塑性破坏；节点受力性能主要受腹杆和弦杆的影响较大，而支杆影响较小；有限元承载力计算结果小于规范中K型节点的计算结果，两者比值为0.75左右。2010年，陈誉，赵宪忠等人[9]对KT型圆管节点进行了试验研究和有限元参数分析，重点考察了内隐藏焊缝、腹杆搭接顺序及几何参数的影响。研究表明：β、γ对节点承载力影响较大，搭接率和τ对节点承载力影响较小；利用零间隙N型节点计算公式拟合出的KT型搭接节点计算公式与试验数据相吻合。

3 方管相贯节点研究现状

钢管结构方管相贯节点的研究大约始于20世纪80年代。1982年，Packer[10]对K型、T型和十字型矩形节点进行试验研究，同时利用塑性铰线法推导出K型矩形节点承载力计算公式，与试验数据对比验证了其正确性。试验研究表明，T型和十字型等宽矩形节点破坏模式主要表现为弦杆侧壁局部塑性破坏。1988年，Bauer[11]对TT型、KK型空间方管节点进行静力试验，其中弦杆受轴拉力，并进行参数研究，建立了两种塑性铰线分析模型。1990年，沈祖炎等人[12]对方管节点进行了大量的参数分析，并推导得到该类型节点承载力计算公式，为我国相关规范的制定提供了依据。2003年，武振宇、武胜利用有限元分析的方法对K型间隙方管节点进行相关性能的研究，发现此类节点的破坏形式主要表现为节点发生整体的剪切变形破坏。2004年，陈以一、彭对方管节点在弯矩作用下的力学性能进行试验研究。文中指出，节点相贯区域受力复杂，出现应力集中和传力弯折现象，从而降低了节点的刚度和强度，并得出节点弹性抗弯刚度计算公式和分段变刚度模型。2016年，武振宇、董立松对K型间隙方管节点进行静力承载力试验研究，提出弦杆上翼缘设置贴板加强的节点并进行试验研究，试验表明贴板加强有效地提高了节点的极限承载力且提高的程度与贴板的长度有关。利用有限元分析对现有计算公式提出修正系数，并分析了各杆件截面尺寸对节点效率的影响从而提出合理的加强板尺寸。

4 方圆管相贯节点研究现状

20世纪70年代，随着方圆管相贯节点的应用，国内外也开展了相关的研究。Packer提出对于方圆管节点，将圆管尺寸乘以π/4代入方管节点承载力计算公式中，但各国规范却按照整体公式乘以π/4来计算承载力。关于这两种“支管转化方法”没有得到试验数据的验证。1998年，Gandhi等人对T型方弦杆圆腹杆节点进行抗震性能研究，认为此类节点应力集中系数较小，介于方管节点和圆管节点两者之间。2001年，刘建平等人利用有限元对K型方圆管节点进行分析，得出几何参数对节点承载力的影响，并提出不同破坏模式下节点加强方法。2004年，Mashiri等人对T型方圆管节点进行抗弯性能和疲劳性能研究，文中采用二次外推法推导出节点应力，建立节点平面内抗弯承载力计算公式，并提出节点应力集中修正系数。在2006年至2008年期间，舒兴平、朱正荣等人对N型搭接方圆管节点进行足尺试验和有限元分析。研究表明，在相贯区域，方圆管节点应力分布与圆管节点基本一致；当弦杆作为焊接管时，节点焊缝宜布置在方管处；将试验与有限元数据进行对比分析，提出承载力影响系数。

5 H型钢弦杆相贯节点研究现状

弦杆为H型钢的相贯节点具有承载力大、安装和使用方便等优势，但相关的研究较少。2002年，王元清、曾文平等人对圆管腹杆-H型钢弦杆节点进行有限元非线性分析，利用四边形壳单元进行模型模拟，并对计算结果进行分析，得出节点在轴力和平面外弯矩两种工况下的承载力计算公式。2013年，陈誉、魏琳、吴颖等人对T型和X型节点进行静力性能分析，节点为方、圆管腹杆-H型钢弦杆节点。通过试验和有限元参数分析，对比不同类型节点破坏模式、极限承载力等受力性能，分析了此类节点的受力性能和几何参数的影响，同时将其与欧洲规范进行对比分析，提出修正系数。2017年，陈胜[13]对圆支杆-H型钢弦杆KT型搭接节点进行了静力承载力试验研究，并对弦杆设置加劲板的加强节点进行了试验研究，研究表明加劲板的设置使得节点刚度和极限承载力提高。同时利用有限元软件提出了几种节点加强方法。

6 结 论

钢管结构相贯节点一般按照截面形式、外型和腹杆的相对位置进行分类，主要通过试验与理论分析进行研究。钢管结构中的圆管相贯节点、方管相贯节点、方圆管相贯节点及H型钢弦杆相贯节点的国内外研究成果主要是各相贯节点的极限承载力表达式、破坏模式、参数对节点承载力和刚度的影响和节点加强的方法。

[1] 陈以一，陈扬骥.钢管结构相贯节点的研究现状[J].建筑结构，2002，32(7)：52-55.

[2] 鹫尾健三，东乡武，三井宜之.日本建筑学会论文报告集[M].东京：日本建筑学会，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，陈扬骥，陈以一,等.上海市八万人体育场屋盖的整体模型和节点试验研究[J].建筑结构学报，1998，19(2)：2-10.

[7] 陈以一，王 伟，赵宪忠,等.圆钢管相贯节点抗弯刚度和承载力实验[J].建筑结构学报，2001，22(6)：25-30.

[8] 舒兴平,郑伯兴.KT型相贯节点极限承载力非线性有限元分析[J].湖南大学学报(自然科学版)，2006，33(6)：1-5.

[9] 赵宪忠，陈 誉，陈以一,等.平面KT型圆钢管搭接节点静力性能的试验研究[J].工业建筑，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，张志良.焊接方管节点极限承载力计算[J].同济大学学报，1990，18(3)：273-279.

[13] 陈 胜.圆支管-H型钢弦杆KT型相贯节点承载力研究[D].武汉：武汉理工大学，2017.