季 躍

(同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院(集團)有限公司,上海 200092)

0 引 言

和其他空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)節(jié)點體系相比,相貫節(jié)點體系具有外觀簡潔、傳力明確、施工方便、構(gòu)造簡單、節(jié)省建筑材料和易于維護保養(yǎng)等諸多優(yōu)點。相貫節(jié)點是由支管直接焊接于貫通的主管外表面而形成。由于相貫節(jié)點上桿件數(shù)量、角度、尺寸和形狀的多種多樣,導(dǎo)致桿件相貫面的切割線形態(tài)各異,因此在相貫節(jié)點制作的過程中,對焊接技術(shù)和切割精度的要求很高。近年來,施工工藝水平的提高和多維數(shù)控切割技術(shù)的發(fā)展有效解決了這些關(guān)鍵技術(shù)難點,降低了相貫節(jié)點的生產(chǎn)成本,推進了相貫節(jié)點在空間結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用,如長沙賀龍體育場、上海東方明珠國際會議中心、浦東國際機場航站樓、上海八萬人體育場、廣州新白云國際機場、廣州會展中心、南京奧體中心、北京國際機場新航站樓等。在實際工程中,有許多不同形式的相貫節(jié)點,包括T形、Y形、K形、X形、DT形、KK形、XK形等等。

本文對相貫節(jié)點的破壞模式、影響因素、常溫承載性能和高溫承載性能的研究現(xiàn)狀進行總結(jié),期望為實際工程應(yīng)用和理論研究提供參考和依據(jù)。

1 破壞模式和影響因素

相貫節(jié)點是連接整個結(jié)構(gòu)各個桿件的關(guān)鍵部位,也是最薄弱的環(huán)節(jié)。一旦節(jié)點發(fā)生破壞,可能會導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)的失效,帶來難以估計的經(jīng)濟損失和人員傷亡。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中,一般遵循“強節(jié)點、弱構(gòu)件”的原則,因此避免相貫節(jié)點的破壞是結(jié)構(gòu)設(shè)計中較為重要的部分。相貫節(jié)點的破壞模式主要有連接處主管塑性變形過大、主管局部屈曲、主管剪切破壞、焊縫開裂等,如圖1所示。產(chǎn)生這些破壞的主要原因有:

(1) 對于應(yīng)用中的多數(shù)鋼管而言,管壁較薄,厚度方向的剛度較小,當(dāng)支管受到軸壓力時,主管會因沿厚度方向的剛度不足而產(chǎn)生變形,破壞將最終產(chǎn)生在相貫線附近的主管表面;

(2) 從應(yīng)力角度分析,相貫節(jié)點受力時,焊縫附近的主管表面應(yīng)力較高,通常在焊角附近的主管表面首先發(fā)生屈服現(xiàn)象,之后將在其周圍逐漸形成塑性區(qū),使得應(yīng)力重新分布,隨著塑性區(qū)不斷擴展,最終使得焊縫附近的主管發(fā)生局部塑性破壞;

(3) 相貫節(jié)點焊縫附近的應(yīng)力相當(dāng)復(fù)雜,除了焊接過程會產(chǎn)生殘余應(yīng)力外,節(jié)點相貫部位也存在高度的應(yīng)力集中現(xiàn)象,從而導(dǎo)致連接處焊縫易于開裂。

圖1 相貫節(jié)點破壞模式Fig.1 Failure modes of tubular joints

節(jié)點的破壞模式與節(jié)點的受力工況和幾何參數(shù)有關(guān)。影響相貫節(jié)點力學(xué)性能的幾何參數(shù)主要有主管外徑D、主管厚度T、支管外徑d、支管厚度t和主管與支管間夾角θ。為了方便研究和相互比較,一般采用無量綱參數(shù):支管和主管直徑比值β=d/D,主管徑厚比γ=D/(2T),支管和主管的厚度比τ=t/T。一般情況下,T或β越小,主管越容易發(fā)生破壞;θ越大,節(jié)點越容易破壞;γ,τ和主管所受軸力大小也對節(jié)點破壞模式有一定影響。

2 常溫承載性能研究

在認識到相貫節(jié)點的優(yōu)越性后,國內(nèi)外研究學(xué)者對相貫節(jié)點的力學(xué)性能進行了大量研究。目前相貫節(jié)點的常溫靜力承載性能、剛度性能、疲勞性能和動力性能的研究較多。

2.1 國外研究現(xiàn)狀

早在1948年,前西德進行了最早的鋼管相貫節(jié)點極限強度試驗。隨后,日本研究學(xué)者完成了K形、T形和X形相貫節(jié)點試驗,并提出了K形、T形和X形相貫節(jié)點強度計算公式。新加坡南洋理工大學(xué)的Fung課題組對相貫節(jié)點的極限承載力進行了試驗研究及有限元模擬,提出了節(jié)點的設(shè)計準(zhǔn)則。近年來,2006年,新加坡南洋理工大學(xué)的Gho課題組[1-2]對支管完全疊接的相貫節(jié)點破壞模式進行了歸納總結(jié),根據(jù)1296個有限元模型結(jié)果,指出節(jié)點可能出現(xiàn)的破壞模式有支管管壁的塑性變形、搭接支管的屈服、搭接支管的局部失穩(wěn)和搭接支管的桿件破壞。隨后根據(jù)3 888個有限元模型結(jié)果提出相貫節(jié)點承載力的參數(shù)方程。2013年,Lesani等[3]采用ABAQUS軟件對T/Y形相貫節(jié)點軸壓力作用下的承載性能進行模擬,并與試驗結(jié)果進行對比,分析了節(jié)點的破壞模式和極限承載力。方管抗彎性能較好,逐漸被越來越多的工程設(shè)計人員應(yīng)用到相貫節(jié)點中。研究學(xué)者對方管相貫節(jié)點開展了一系列研究。2006年,Lie等[4-5]對帶裂紋的T形方管相貫節(jié)點的靜力承載性能進行了試驗研究,得到了節(jié)點裂紋的擴展過程、裂紋的張開位移和節(jié)點的極限承載力。建立了帶裂紋的T形方管相貫節(jié)點的有限元模型,通過參數(shù)分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)β<0.8時,塑性鉸線理論能很好地預(yù)測節(jié)點的靜力承載力。2007年,Christitsas等[6]采用有限元方法對普通和鳥嘴式方管相貫節(jié)點平面內(nèi)彎曲性能進行研究。

在早期的結(jié)構(gòu)設(shè)計中,相貫節(jié)點被簡化為鉸接或者剛接,隨著研究的深入,研究學(xué)者發(fā)現(xiàn),相貫節(jié)點往往體現(xiàn)出半剛性特征。2013年,Golafshani等[7]建立了局部節(jié)點柔度單元用來模擬相貫節(jié)點剛度。2014年,Asgarian等[8]對Y-T形和K形相貫節(jié)點的局部柔度性能進行大規(guī)模數(shù)值模擬,并提出其計算公式。2017年,Ahmadi等[9-10]建立了81個KK形相貫節(jié)點有限元模型來研究四種不同平面外和平面內(nèi)彎矩作用下節(jié)點的局部柔度性能,并通過324個節(jié)點有限元結(jié)果提出了預(yù)測節(jié)點局部柔度的參數(shù)公式。

相貫節(jié)點在海洋平臺結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多,由于長期承受海風(fēng)、海浪以及地震等循環(huán)荷載的作用,節(jié)點的疲勞性能對結(jié)構(gòu)整體壽命有著至關(guān)重要的影響。早期,澳大利亞莫納什大學(xué)趙曉林課題組通過試驗和有限元方法研究了薄壁T形圓管和主方支圓相貫節(jié)點的疲勞性能。近年來,2007年,Chiew和Lee等[11-12]對拐角帶裂紋的T形方管節(jié)點進行了疲勞性能試驗測試,通過疲勞測試結(jié)果及裂紋尺寸發(fā)現(xiàn),裂紋將首先在主/支管相貫線附近四個拐角的其中之一處產(chǎn)生,然后按與主管壁平行的方向進行擴展;焊縫分支或次焊縫在試驗測試結(jié)束之前產(chǎn)生,且表面裂紋的形狀較圓管節(jié)點復(fù)雜。同時對試驗試件進行了有限元模擬,建立了可模擬不同形狀裂紋的T形方管相貫節(jié)點有限元模型,并通過比較應(yīng)力集中系數(shù)及節(jié)點殘余壽命等參數(shù),驗證了有限元模型的準(zhǔn)確性及可靠性。2009年,趙曉林課題組[13]完成了四個足尺相貫節(jié)點應(yīng)力集中系數(shù)測量試驗,并給出了焊腳和焊根間應(yīng)力集中系數(shù)的關(guān)系。

隨著相貫節(jié)點的逐漸普及和推廣,已有不少采用相貫節(jié)點的建筑建設(shè)在較高級別的地震設(shè)防區(qū)。因此相貫節(jié)點的動力性能逐漸受到關(guān)注。2001年,新加坡南洋理工大學(xué)的Fung課題組[14]對一個足尺支管完全搭接相貫節(jié)點進行循環(huán)加載試驗研究。試驗中,支管相交區(qū)域最先出現(xiàn)局部失穩(wěn),隨后支管連接焊縫出現(xiàn)裂紋,隨著裂紋的擴張最終導(dǎo)致節(jié)點破壞。采用能量法分析其動力性能,能量分析表明,發(fā)生在斜支管中的局部屈曲消耗了大部分能量。隨后通過有限元分析,研究了支管完全疊接相貫節(jié)點幾何參數(shù)對其滯回性能的影響,并給出了改善該類節(jié)點滯回性能的意見。2011年,韓國Lee等[15]對高強鋼T形圓管相貫節(jié)點在循環(huán)荷載下的平面內(nèi)抗彎性能進行系統(tǒng)的有限元模擬,研究了β、τ、屈服強度比和主管壓應(yīng)力對相貫節(jié)點平面內(nèi)抗彎性能的影響。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對相貫節(jié)點靜力承載性能的研究也取得了較多成果。早期,同濟大學(xué)陳以一課題組和哈爾濱工業(yè)大學(xué)武振宇課題組分別對圓管相貫節(jié)點和方管相貫節(jié)點的承載力進行了研究,并提出其計算方法。近年來,2011年,Feng等[16]對不銹鋼T形和X形方管相貫節(jié)點進行試驗研究和有限元模擬,將其承載力結(jié)果與現(xiàn)有規(guī)范進行對比,最后提出其承載力計算公式。隨后,2015年,他們對支X形主H支圓相貫節(jié)點承載性能進行研究[17],通過試驗研究和有限元參數(shù)分析指出,當(dāng)β小于0.605時,X形相貫節(jié)點的面內(nèi)抗彎能力隨著β的增加顯著增加;當(dāng)β大于0.605時,β對X形相貫節(jié)點的面內(nèi)彎曲性能的影響不大;X形相貫節(jié)點的延性隨著β的增大而增大。2015年至2016年間,Chen等[18-19]對T形主H支方相貫節(jié)點進行試驗研究和有限元參數(shù)分析,通過將參數(shù)分析結(jié)果與Eurocode 3規(guī)范設(shè)計強度對比發(fā)現(xiàn),規(guī)范設(shè)計強度不安全,因此提出了該類節(jié)點新的設(shè)計方法。國內(nèi)除上述研究外,還有許多學(xué)者對相貫節(jié)點靜力承載性能進行了研究,但研究方法大都大同小異,此處不再贅述。

對于相貫節(jié)點剛度,早期,同濟大學(xué)陳以一課題組提出了圓管和矩形管相貫節(jié)點抗彎剛度公式。近年來,2008年,武振宇等[20]在塑性鉸線模型的基礎(chǔ)上建立了不等寬T形方管相貫節(jié)點初始抗彎剛度模型,推導(dǎo)出節(jié)點抗彎剛度公式,并通過與有限元分析結(jié)果比較,顯示出該模型的合理性。2014年,同濟大學(xué)陳以一課題組[21]對多平面X形圓管相貫節(jié)點的平面內(nèi)抗彎剛度進行研究,并推導(dǎo)出節(jié)點的平面內(nèi)抗彎剛度公式。2016年,趙必大等[22]基于X形方管相貫節(jié)點局部變形特征,建立了6桿系模型和矩形環(huán)模型,并綜合兩模型和參數(shù)分析結(jié)果提出了節(jié)點平面外抗彎剛度參數(shù)化計算公式。

相貫節(jié)點的疲勞壽命預(yù)測通常采用S-N曲線方法,其中應(yīng)力幅S的大小由應(yīng)力集中系數(shù)確定。目前國內(nèi)對于相貫節(jié)點疲勞壽命的研究多集中在節(jié)點的應(yīng)力集中系數(shù)上。2006-2007年,高飛[23-24]對支管完全搭接相貫節(jié)點在平面內(nèi)和平面外彎矩作用下的應(yīng)力和應(yīng)變集中特性進行試驗研究,發(fā)現(xiàn)節(jié)點最大的應(yīng)變集中系數(shù)在貫通支管與搭接支管的交界處,隨后通過有限元結(jié)果推導(dǎo)出計算應(yīng)力集中系數(shù)的參數(shù)方程。2009年,煙臺大學(xué)曲淑英課題組[25]支管完全搭接K形相貫節(jié)點的應(yīng)力集中系數(shù)進行了試驗研究,得到了軸向載荷作用下節(jié)點焊縫周圍的應(yīng)力集中系數(shù)分布和其極值點位置。2009年,劉永強等[26]采用有限元方法分析了受軸力和彎矩作用時鉆石鳥嘴式T形方管相貫節(jié)點熱點應(yīng)力集中系數(shù),并指出該類節(jié)點的應(yīng)力集中系數(shù)顯著低于傳統(tǒng)方管節(jié)點,其疲勞性能更佳。2015年,程斌等[27]基于試驗測試和有限元分析對鳥嘴式T形方管鋼管節(jié)點在主管和支管軸力作用下的應(yīng)力集中特性進行研究,指出一般情況下鳥嘴式節(jié)點應(yīng)力集中系數(shù)低于傳統(tǒng)正放式節(jié)點,且β值越小,這種降低幅度越明顯,但當(dāng)β>0.75時,鳥嘴式節(jié)點的應(yīng)力集中系數(shù)可能高于正放式節(jié)點。

在實際工程中,采用相貫節(jié)點的結(jié)構(gòu)一般并不是按照“強節(jié)點、弱構(gòu)件”來進行節(jié)點設(shè)計,節(jié)點承載力低于桿件極限承載力的情況并不少見。由此,采用相貫節(jié)點的結(jié)構(gòu)在較大地震作用下,往往節(jié)點先于桿件進入非線性變形階段,所以對相貫節(jié)點動力性能的把握和利用是保證結(jié)構(gòu)抗震安全性的一個非常重要的課題。國內(nèi)近年來,相貫節(jié)點的滯回性能在試驗、有限元和理論三方面均有研究。2007年,王偉等[28]完成了8個T形圓管相貫節(jié)點的滯回性能的試驗測試。2008-2010年,武振宇等[29-30]對T形方管和Y形矩形管相貫節(jié)點進行了滯回性能試驗測試,得到了節(jié)點的破壞模式和滯回曲線,研究發(fā)現(xiàn)節(jié)點破壞時主要為受壓時的主管塑性變形及受拉時的焊縫邊緣開裂,并且發(fā)現(xiàn)焊縫尺寸對管壁厚度較小的節(jié)點的滯回性能有不能忽略的影響。2013年,趙必大等[31]提出了考慮軸力作用的X形圓管相貫節(jié)點平面外受彎滯回模型。2016年,包樹龍等[32]采用ABAQUS有限元軟件分析了斜交角度、豎向拉板厚度、橫向連接板厚度、徑厚比等參數(shù)對空間相貫節(jié)點滯回性能的影響,指出對抗震性能影響最大的因素是斜交角度,其次是鋼管徑厚比,影響最小的是豎向拉板厚度和橫向分隔板厚度。

由上述分析可知,國內(nèi)外對相貫節(jié)點常溫靜力承載性能的試驗研究、有限元模擬和理論分析均比較成熟,各國都在各自的研究基礎(chǔ)上制定自己的規(guī)范和規(guī)程。對節(jié)點剛度性能、疲勞性能和動力性能的研究大多集中在平面相貫節(jié)點,而對空間相貫節(jié)點的研究較少。但在實際結(jié)構(gòu)中,相貫節(jié)點往往是空間形式的,因此,對空間相貫節(jié)點性能的研究還有待深入。

3 高溫承載性能研究

在危害建筑物的諸多災(zāi)害中,火災(zāi)是最常見、最危險和最具毀滅性的災(zāi)害之一?；馂?zāi)高溫對結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能具有顯著的影響。對于普通鋼,當(dāng)溫度達到400 ℃時,其強度開始明顯下降;當(dāng)溫度超過800 ℃時,普通鋼基本失去承載能力?；馂?zāi)時,建筑室內(nèi)溫度半小時內(nèi)即可達到800 ℃以上,此時無保護的金屬結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中極易受到破壞,甚至坍塌。因此有必要對相貫節(jié)點的高溫承載性能進行研究。

國外2013年,Tan等[33]對5個不同β值的足尺T形相貫節(jié)點進行支管受軸壓的高溫下恒溫加載試驗研究。節(jié)點的承載性能受溫度的影響較大,主要原因在于隨著溫度的升高,材料性能退化和支管下部局部塑性區(qū)域改變導(dǎo)致節(jié)點承載力降低。隨后通過有限元方法研究了邊界條件、主管預(yù)壓力和主管壁厚對高溫下節(jié)點承載力的影響。2014年,Ozyurt等[34]對大量T形、Y形、X形、N形和K形相貫節(jié)點的高溫極限承載力進行ABAQUS有限元模擬,并將有限元結(jié)果和歐洲規(guī)范以及CIDECT設(shè)計準(zhǔn)則計算結(jié)果進行對比。研究結(jié)果表明高溫下軸向受拉承載能力可以用常溫下節(jié)點承載能力計算公式和高溫下鋼材極限強度來估計,而高溫下節(jié)點的軸向受壓承載能力可以用常溫下節(jié)點承載能力乘以鋼材彈性模量的折減系數(shù)來估計。2015年,Fung等[35]對T形相貫節(jié)點進行支管平面內(nèi)受彎的高溫承載性能試驗研究和有限元模擬。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)溫度達到700 ℃時,節(jié)點承載力降低到節(jié)點常溫承載力的22.1%;隨著溫度的升高,節(jié)點失效模式發(fā)生改變。

國內(nèi),上海交通大學(xué)趙金城課題組、煙臺大學(xué)邵永波課題組和華中科技大學(xué)高飛課題組對高溫下相貫節(jié)點承載性能進行了試驗和理論研究。2011年至2012年,上海交通大學(xué)趙金城課題組[36-38]相貫節(jié)點高溫承載性能進行了一些列研究。

(1)對爆炸沖擊和火災(zāi)作用下的T形圓管相貫節(jié)點進行了試驗研究和有限元模擬,得到了節(jié)點的溫度場的分布及臨界溫度。其破壞模式與常溫下破壞模式相同,均為節(jié)點域主管表面的局部屈曲破壞。然而受沖擊試件的臨界溫度為690 ℃,比未受沖擊作用試件的臨界溫度高。

(2)對火災(zāi)作用后T形圓管相貫節(jié)點的受力性能進行了試驗測試和有限元分析,指出節(jié)點火災(zāi)作用后的破壞模式仍為節(jié)點域主管表面的局部屈曲破壞。荷載比大小及升降溫過程對節(jié)點剛度的影響要大于對其殘余承載力的影響。幾何參數(shù)中,當(dāng)節(jié)點處于相同高溫時,參數(shù)β及γ對節(jié)點殘余承載力的影響要大于τ。

(3)采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對火災(zāi)下T形相貫節(jié)點承載力進行預(yù)測,通過與有限元結(jié)果進行對比,驗證了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的準(zhǔn)確性。2012年,Feng等[39]對450個不銹鋼T形方管相貫節(jié)點在22 ℃～870 ℃溫度下的極限承載能力進行了有限元分析,得到了節(jié)點在恒高溫作用下的破壞模式,主要為主管上翼緣破壞、主管側(cè)壁破壞、上翼緣與側(cè)壁共同破壞及支管局部屈曲破壞。另外,基于參數(shù)分析結(jié)果,推導(dǎo)了節(jié)點在高溫作用下的承載力計算公式,且對公式進行了可靠性分析。

2013年,煙臺大學(xué)邵永波課題組[40-42]對2個足尺K形和3個T形圓管以及2個足尺T形方管相貫節(jié)點的承載性能進行恒載升溫試驗研究。結(jié)果顯示,當(dāng)溫度達到一個臨界值時,節(jié)點突然失效,最終節(jié)點破壞表現(xiàn)為連接處主管表面的塑性屈服。采用ABAQUS軟件對T形相貫節(jié)點高溫性能進行有限元模擬,指出節(jié)點的幾何參數(shù)和荷載比例對節(jié)點高溫性能的影響極大。2013年,華中科技大學(xué)高飛課題組[43]利用有限元方法,采用恒載升溫荷載的加載機制下研究了火災(zāi)下Y形圓管相貫節(jié)點的力學(xué)性能。2016年,Lan等[44]采用有限元方法研究了不銹鋼T形和X形方管相貫節(jié)點的抗火性能,并提出其設(shè)計公式。2017年,邵永波等[45]對火災(zāi)后的兩個足尺T形圓管相貫節(jié)點進行滯回性能試驗,指出加熱和冷卻過程對節(jié)點的滯回性能影響不大。

現(xiàn)階段,國內(nèi)外對相貫節(jié)點高溫承載性能的研究已經(jīng)取得了一定的研究成果,特別是T形和X形相貫節(jié)點,許多研究學(xué)者給出相應(yīng)的高溫承載力公式。然而對于其他形式相貫節(jié)點的高溫承載性能的研究還有待進一步深入,如K形、Y形、KK形等等。另外,上述總結(jié)的節(jié)點高溫承載性能研究成果均是基于平面相貫節(jié)點,對于空間相貫節(jié)點高溫承載性能的研究,基本處于空白狀態(tài)。

4 結(jié)語與展望

伴隨著相貫節(jié)點在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域越來越廣泛的應(yīng)用,相貫節(jié)點的力學(xué)性能受到越來越多研究學(xué)者的關(guān)注?，F(xiàn)階段,在平面相貫節(jié)點常溫和高溫承載性能均進行了較多的試驗研究和有限元模擬,并推導(dǎo)出能夠反映節(jié)點力學(xué)性能的理論公式。然而,在實際工程中,空間形式的相貫節(jié)點較多,對空間相貫節(jié)點力學(xué)性能的研究有待進一步深入。