隋炳強(qiáng)，羅興隆，王發(fā)強(qiáng)，吳天河

(1.上海寶冶集團(tuán)，上海201908;2.山東諸城長運(yùn)路橋工程有限公司，山東諸城262200)

鋼管截面形狀及截面材料分布合理，與開口截面相比，具有各向等強(qiáng)，抗扭剛度大，穩(wěn)定承載能力高，端頭封閉后抗腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)受風(fēng)載的結(jié)構(gòu)，鋼管結(jié)構(gòu)所具有的光滑表面比用其它型剛制造的類似結(jié)構(gòu)所引起的風(fēng)載荷要小得多。而且圓管截面的表面積僅為相類似的工字形截面的表面積的2/3，這樣會(huì)大大減少涂漆與防火保護(hù)的費(fèi)用［1－2]。鋼管相貫節(jié)點(diǎn)中各桿件直接焊接，強(qiáng)度高，繞流條件好，截面封閉抗腐蝕性強(qiáng)，與大氣接觸表面小，易于防護(hù)。在清潔要求較高的場合，如化工或食品加工建筑，鋼管相貫節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)較容易除塵，且沒有突緣、連接部件及其它容易積聚灰塵的地方［3－4]?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，相貫節(jié)點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于網(wǎng)架、網(wǎng)殼、塔架和海洋平臺(tái)等工程結(jié)構(gòu)中。

本文對(duì)中國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB500017－2003)［4]、美國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［5](ANSI/AISC 360－05)、美國焊接規(guī)范［6](AWS D1.1/1.1M 2008)和歐盟鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［7](Eurocode 3:BS EN 1993－1－8:2005)中的圓管相貫節(jié)點(diǎn)部分進(jìn)行分析比較，并結(jié)合工程實(shí)例提出了設(shè)計(jì)建議。

1 節(jié)點(diǎn)分類及其破壞模式

1.1 節(jié)點(diǎn)分類

1)平面單一節(jié)點(diǎn):相貫節(jié)點(diǎn)由一個(gè)或多個(gè)直接焊接到連續(xù)主管上的支管組成，依據(jù)連接處負(fù)載的受力可以分為K型連接(包括N型)，Y型連接(包括T型)，或交叉形 (也就是X型)連接，而并不依賴于物理連接。

Y型節(jié)點(diǎn)(包括T型):當(dāng)支管中的沖擊荷載(Prsinθ)由主管剪力平衡，且支管垂直于主管，則該節(jié)點(diǎn)將為T形連接，否則就是Y形連接。此種節(jié)點(diǎn)形式可看成是K型節(jié)點(diǎn)的特例。

在K型連接中，其中一個(gè)支管只有極少荷載或沒有荷載，這種連接就可以看作Y型連接。

如果在一個(gè)K(或N)型連接處的缺口處間隙變大，超過了偏心距極限允許值，K型連接應(yīng)該被視為兩個(gè)獨(dú)立的Y型連接。

X型節(jié)點(diǎn):當(dāng)支管上垂直于弦桿橫截面的沖擊荷載(Pr sinθ)通過弦桿構(gòu)件傳遞，并且是通過兩端的支管構(gòu)件平衡，這種節(jié)點(diǎn)是X形節(jié)點(diǎn)。

K型節(jié)點(diǎn):如果同一側(cè)兩根支管在垂直于弦桿橫截面方向的分力 (Psinθ)基本保持平衡(差額在20%以內(nèi))，則節(jié)點(diǎn)為K形節(jié)點(diǎn)。N形節(jié)點(diǎn)可以認(rèn)為是K形節(jié)點(diǎn)的一種。

2)平面復(fù)合節(jié)點(diǎn):當(dāng)節(jié)點(diǎn)中部分支管為K型連接，以及部分為T型、Y型或者X型連接時(shí)，此種節(jié)點(diǎn)形式可認(rèn)為是復(fù)合節(jié)點(diǎn)，具體的節(jié)點(diǎn)形式根據(jù)支管受力確定如圖1中的K－X型連接。

3)空間節(jié)點(diǎn):平面節(jié)點(diǎn)支管和弦桿的中心線應(yīng)該在同一個(gè)平面內(nèi)，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)或以上的支管，且支管與弦桿的中心線不在同一個(gè)平面，這樣的節(jié)點(diǎn)稱為空間節(jié)點(diǎn)。

當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)由不在同一平面內(nèi)兩個(gè)T型支管組成時(shí)，該節(jié)點(diǎn)稱為TT型節(jié)點(diǎn)。

當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)由不在同一平面內(nèi)4個(gè)X型支管組成時(shí)，該節(jié)點(diǎn)稱為XX型節(jié)點(diǎn)。

當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)由不在同一平面內(nèi)4個(gè)K型支管組成時(shí)，該節(jié)點(diǎn)稱為KK型節(jié)點(diǎn)。

1.2 節(jié)點(diǎn)破壞模式

國外的新近研究成果表明，對(duì)于以主管平壁形成塑性鉸線的破壞模式，應(yīng)考慮兩種極限狀態(tài)的驗(yàn)算。建議取令主管表面的局部凹(凸)變形達(dá)主管寬度b的3%時(shí)的支管內(nèi)力為節(jié)點(diǎn)的極限承載力(承載力極限狀態(tài));取局部變形為1%b的支管內(nèi)力為節(jié)點(diǎn)正常使用極限狀態(tài)的控制力。至于由哪個(gè)極限狀態(tài)起控制作用，應(yīng)視承載力極限狀態(tài)的承載力與正常使用極限狀態(tài)的控制力的比值K而定。若K值小于折算的總安全系數(shù)，則承載力極限狀態(tài)起控制作用，反之由正常使用極限狀態(tài)起控制作用。分析表明，當(dāng)β＜0.6，b/t＞15時(shí)，一般由正常使用極限狀態(tài)局部變形(δ=0.01b)控制［4]。節(jié)點(diǎn)破壞模式主要有以下6種:

a)弦桿表面塑性失效。b)弦桿側(cè)壁破壞。c)弦桿在間隙處剪切破壞。d)弦桿表面沖剪失效。e)有效寬度失效(腹桿拉斷或焊縫破壞)。f)支管或主管局部失穩(wěn)。

2 節(jié)點(diǎn)極限承載力

2.1 節(jié)點(diǎn)承載力影響因素

影響節(jié)點(diǎn)極限承載力的因素有桿件尺寸(徑厚比)，支管與主管的夾角θ，主管軸向應(yīng)力情況，以及支管受壓還是受拉等［7－8]。

為計(jì)算徑厚比對(duì)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度的影響，中美歐鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范均采用 γ0.2=(d/t)0.2來考慮。

試驗(yàn)表明，支管軸心力垂直于主管方向的分力是造成節(jié)點(diǎn)破壞的主要因素。支管傾角θ越小，支管軸心力的垂直分力也越小，節(jié)點(diǎn)承載力就越高。中美歐規(guī)范中用1/sinθ來表達(dá)支管傾角θ對(duì)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度的影響，也就是說僅考慮支管軸力垂直分力作用。

圓管節(jié)點(diǎn)的破壞多由于節(jié)點(diǎn)處過大的局部變形而引起的。當(dāng)主管受軸向壓應(yīng)力時(shí)，將促使節(jié)點(diǎn)的局部變形變大，節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度隨主管壓應(yīng)力增大而降低，而當(dāng)主管受軸向拉應(yīng)力時(shí)，可減小節(jié)點(diǎn)局部變形，此時(shí)節(jié)點(diǎn)承載力比主管應(yīng)力為0時(shí)約提高3% －4%。設(shè)主管的應(yīng)力比為U，中美歐設(shè)計(jì)規(guī)范均采用 Ψn=Qf=kp=1－0.3U －0.3U2來考慮主管應(yīng)力的影響［4－6]。

當(dāng)支管承受壓力時(shí)，節(jié)點(diǎn)的破壞主要由主管壁的局部屈曲引起的，而當(dāng)支管承受拉力時(shí)主要是強(qiáng)度破壞。

2.2 節(jié)點(diǎn)承載力

Y－型節(jié)點(diǎn)(包括T型):中國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50017－2003)受壓支管在管節(jié)點(diǎn)處的承載力設(shè)計(jì)值為

受拉支管在管節(jié)點(diǎn)處的承載力設(shè)計(jì)值為

美國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(ANSI/AISC 360－05)計(jì)算時(shí)不分拉壓支管，取以下兩式中的最小值。

美國焊接規(guī)范(AWS D1.1/1.1M 2008)計(jì)算時(shí)同樣不分拉壓支管，取以下兩式中的最小值。

歐盟鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(Eurocode 3:EN 1993－1－8:2005(E))計(jì)算時(shí)不分拉壓支管，取以下兩式中的最小值。

X－型節(jié)點(diǎn):中國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50017－2003)受壓支管在管節(jié)點(diǎn)處的承載力設(shè)汁值為

受拉支管在管節(jié)點(diǎn)處的承載力設(shè)計(jì)值為

美國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(ANSI/AISC 360－05)計(jì)算時(shí)不分拉壓支管，取以下兩式中的最小值。

美國焊接規(guī)范(AWS D1.1/1.1M 2008)計(jì)算時(shí)同樣不分拉壓支管，取以下三式中的最小值。

歐盟鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(Eurocode 3:EN 1993－1－8:2005(E))計(jì)算時(shí)不分拉壓支管，取以下兩式中的最小值。

K－型節(jié)點(diǎn):中國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50017－2003)受壓支管在管節(jié)點(diǎn)處的承載力設(shè)計(jì)值為

受拉支管在管節(jié)點(diǎn)處的承載力設(shè)計(jì)值為

美國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(ANSI/AISC 360－05)計(jì)算時(shí)取以下兩式中的最小值。

弦桿塑性破壞

美國焊接規(guī)范(AWS D1.1/1.1M 2008)計(jì)算時(shí)同樣不分拉壓支管，取以下三式中的最小值。

歐盟鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(Eurocode 3:EN 1993－1－8:2005(E))計(jì)算時(shí)不分拉壓支管，取以下兩式中的最小值。

從以上公式對(duì)比中可以看出，美國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(ANSI/AISC 360－05)和歐盟鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范Eurocode3表達(dá)形式基本一致。

3 算例

本文以科威特中央銀行一個(gè)簡單的K－型相貫節(jié)點(diǎn)為例，按中美歐設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行分析比較。

節(jié)點(diǎn)尺寸:主管直徑為219 mm，壁厚為12.5 mm，支管直徑為139 mm，壁厚為6 mm，支管1與主管的夾角為19°，支管2與主管的夾角為21°。

材料:鋼材的屈服強(qiáng)度為Fy=fy0=345 N/mm2，設(shè)計(jì)強(qiáng)度為 f=310 N/mm2，AWS規(guī)定屈服強(qiáng)度Fy0=300 N/mm2。

設(shè)計(jì)荷載:主管所受的軸壓力為480 kN，支管1所受軸壓力為120 kN，支管2所受軸拉力為109 kN。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 K型節(jié)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果對(duì)比Tab.1 K －Joint calculation results

從表1中可以看出，中美鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范設(shè)計(jì)承載力較為接近，中國規(guī)范略低;歐盟鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范與美國焊接規(guī)范計(jì)算結(jié)果較接近，美國焊接規(guī)范設(shè)計(jì)承載力略小，綜合上述四部規(guī)范結(jié)果來看，美國焊接規(guī)范設(shè)計(jì)承載力最低，也最為保守。

4 結(jié)論

1)從設(shè)計(jì)思想和公式表達(dá)形式看，美國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范和歐盟鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范基本一致;從極限承載力來看，中美鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范計(jì)算結(jié)果較接近，美國焊接規(guī)范和歐盟鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范接近，其中美國焊接規(guī)范計(jì)算結(jié)果最為保守，設(shè)計(jì)承載力最低。

2)從極限承載力表達(dá)式看，主管直徑和壁厚是影響節(jié)點(diǎn)承載力的主要因素，在直徑一定的前提下，增大壁厚能使節(jié)點(diǎn)剛度增大，是提高節(jié)點(diǎn)承載力的最有效的方法之一。

3)節(jié)點(diǎn)的極限承載力還與支管和主管的直徑比β有關(guān)，隨著β的增大節(jié)點(diǎn)承載力也增大，因此增大支管與主管直徑的比值是提高節(jié)點(diǎn)承載力更有效的方法。

4)支管壁可以薄一些。因?yàn)槠浔诤衽c節(jié)點(diǎn)承載力無關(guān)，在保證焊縫的基礎(chǔ)上，可以采用較薄的支管。

5)間隙連接無論是焊縫設(shè)計(jì)還是桿件的制作、定位及焊接均比搭接節(jié)點(diǎn)易于操作，建議盡可能采用間隙節(jié)點(diǎn)。

［1] 王曉怡.大尺寸K型相貫節(jié)點(diǎn)的研究［D] .南京:東南大學(xué)，2000.

［2] 朱慶科.K型圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)極限承載力有限元分析［D] .廣州:華南理工大學(xué)，2002.

［3] 王偉，陳以一.圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)局部剛度的參數(shù)公式［J] .同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，31(5):515－519.

［4] GB50017－2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S] .

［5] AWS D1 .1/D1.1M:2008.Structural Welding Code Steel(21th Edition)［S] .

［6] ANSI/AISC 360 － 05，2008.Specification for Structural Steel Buildings［S] .

［7] Eurocode 3:Design of steel structures:Part 1－8:Design of joints(BS EN 1993－1－8:2005)［S] .

［8] Marshall，P.W.and Luyties，W.H.“Allowable stresses for fatigue design.”［C] .Proceedings of The 3rd International Conference on The Behavior of Offshore Structures.Boston:August 1982.

［9] Marshall，P.W.Designing tubular connections with AWS D1.1［S] .