浅述相贯节点的研究动态

石学栋

（太原理工大学，山西 太原 030024）

随着科学技术的不断进步，尤其是多位数控技术的产生，使得相贯节点越来越受到人们的青眯，并不断地展现出它自身的许多优越性。所谓的相贯节点又被称为直接汇交节点、直接焊接节点和简单节点。它是指不同杆件的轴线按一定角度相互连接时，在节点处只有在同一轴线上的两个最粗的相邻杆间贯通，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的节点形式。

1 组成样式

从空间上来分，相贯节点可以分为两大类：平面相贯节点和空间相贯节点。平面相贯节点指的是主弦杆和其他的腹杆或者支杆均在同一个平面内；而空间相贯节点则是指所有的腹杆或支杆不仅在节点的平面内，在平面外也有腹杆或支杆，它们与主弦杆形成了一个三维空间的节点形式。人们通常把截面为圆形的弦杆形成的节点称为圆管节点，而把截面为矩形的弦杆形成的节点称为方管节点，包括弦杆截面为方形或矩形，而腹杆(或支杆)为圆形或方形的节点。因此，按照节点截面的形式可以将相贯节点分为：圆管——圆管相贯节点，方管——方管相贯节点，方管——圆管相贯节点以及圆管——方管相贯节点这4种形式。

常见的平面节点有:T型、Y型、X型、K型、YK型、平面KK型（也称DK型），见图1。常见的空间节点形式有:TT型、XX型、KK型、KT型、KX型等，见图2。

图1 平面相贯节点

图2 空间相贯节点

2 相贯节点的应用

相贯节点之所以被广泛地应用，是由于它的外观非常简洁，没有那多余的外凸零件、次要构件的连接也十分方便、不需要增加节点用钢量、施工速度快等诸多优点的存在。因此在大跨度建筑的钢管结构中，相贯节点得到了前所未有的应用。在我国，有许多在建或已完成的重大工程都应用了此节点，如首都机场新航站楼、上海体育场[1]、虹口体育场、上海科技城、成都双流机场新航站楼[2]、广州新白云机场新航站楼、广州体育馆[3]、深圳机场航站楼等，都使用了相贯节点这一管节点形式。

武汉火车站[4]屋面结构采用的是正交正放的网壳结构，其节点大多采用圆钢管相贯节点。本工程中相贯节点的支管不但数目较多，而且个别节点的主管与支管，支管与支管夹角较小，节点区的焊接焊缝重叠较多。经过统计，武汉火车站屋面相贯节点中具有8个支管的有133个，具有7个支管的有288个，其中还包括大量的具有6个支管和5个支管的节点。

国家游泳中心“水立方”[5]，该标志性奥运场馆采用新型基于气泡理论的多面体空间刚架结构，基于建筑方面造型的需要，其屋盖和墙体的表面构件全部为矩形钢管。屋面和墙面的交界线上以及墙面和墙面的交界线，在实际结构中是一条通长且截面相同的等截面方钢管（300×300×20）；而屋面和墙面上的腹杆与此弦杆相交时，采用简捷的相贯焊接的节点形式。

3 国内外研究动态

3.1 国外研究动态[6]

近20年来，各国的研究学者对相贯节点的研究做了很多工作。早在1948年原西德就对平面相贯节点进行了节点的极限强度试验。20世纪60年代初期，日本学者对K形、X形、T形节点进行了较为详细的试验，并提出了有关X，T，K形节点的强度计算公式。而相贯节点的抗弯研究最早是在1976年，由Gibsetni发表的关于T形节点平面内弯曲研究报告提出。1984年，Kurbonae采用线性回归的方法，通过对大量X，T，K形节点的试验研究，提出了平面相贯圆管节点的强度计算公式，它日后也成为了日本建筑学会和欧洲管节点委员会制定规范的依据。这以上都是对平面相贯节点的研究，而对于空间相贯节点的研究比较落后，原因是由于节点试验相对比较少，尤其是大型节点试验，而且节点形式也主要局限于TT，KK，XX这集中比较特殊的节点，对于较复杂的TX，DT，KT型，仅有有限元分析，且节点受力分析主要考虑的是腹杆承受之力，而对于受弯矩作用的节点刚度以及复合受力极限状态等力学性能研究仅有少量成果。同年，Mkaino通过对20个空间KK型节点的试验研究，得出了两个受压的腹杆在弦杆表面由于间距的不同导致的不同的破坏模式，使得对空间KK型节点研究有了新的进展，这也是平面K型节点所没有的特征。

1987—1989年，Mitsi，Nakaeho等分别开始对空间T形节点的初步研究。1990年，Mouty和Rondal研究了轴力作用下不同夹角的KK型空间管节点，同年Scolla也进行了类似试验，并得出了在KK型节点中的破坏模式，肯定了Mkaino的研究成果。1991年，Paul进行了TT型空间相贯节点的轴力试验，根据试验结果进行了回归分析，于1992年提出了两种不同失效模式下的承载力计算公式。又在1994年通过58个空间节点试验，使用多元回归得出了TT型和KK型空间节点的极限承载力公式。1996年，Mkanio等建立了一个数据完备、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。1997年，Pkae等对K形方管节点的疲劳性能作了研究，并提出了应力集中因子公式。2000年，Zhao通过对T形节点试验，提出了节点极限强度的确定准则，并给出了弦杆腹板屈曲和弦杆表面塑性失效两种破坏形式的极限强度建议公式。2001年，Ben Young对K，X型方管相贯节点进行了相关试验，给出了不锈钢X，K型节点的设计准则。2001年，Pake等通过研究K型节点的疲劳性能，得出了确定应力集中系数的计算模型。

3.2 国内研究动态[7]

在国内方面，对相贯节点的研究，尤其是这20年来，研究成果十分惊人。我国的《钢结构设计规范》GB50017—2003中，已经将平面方管节点的承载力设计公式纳入其中，但对于空间相贯的方管节点，我国才刚刚开始研究，相应的规范中也并未列入这些内容。同济大学通过与原机械部设计院在1965年进行合作，对薄壁方管桁架相贯节点进行了大量试验。同济大学在1988年对X型相贯节点极限承载力进行了相关试验研究，并得出了极限承载力的分析方法，并于1993年，对X型相贯节点进行了疲劳试验和分析。2000年，又与广州某设计院对平面K型相贯节点进行了静力试验。通过大量的试验，并以试验数据为基础，建立了方管节点的弯曲刚度公式，并对其强度运用有限元的方法进行了分析。2001年，陈以一等人通过对KK，XK，TK 3种类型大尺寸试件的试验，以得出的数据为基础分析了试件的破坏机理，并指出了由于节点区焊缝刚度过大延性不足，可能使节点管壁极限强度得不到充分发挥。2004年，王元清等对腹杆是圆管弦杆为方管的空间相贯节点的极限承载力进行了有限元分析，得出了支管是腹杆弦杆为方管的空间相贯节点的受力性能。2007年，陈誉、彭兴黔通过使用ANSYS有限元分析软件，运用solid45的8节点实体单元类型对平面和空间相贯节点试件进行了非线性有限元分析，在研究过程中，发现了小尺寸试件很难模拟实际焊缝、残余应力、局部变形对节点的影响等，因此，试验作为实际节点承载力计算公式的建立基础，应当重视大比例试件的试验。

4 结束语

由于钢管相贯节点的几何形状和各种参数对其受力性能的影响十分复杂，对管节点进行精确的理论分析目前尚有较大的困难。虽然半个世纪以来国内外学者们对平面和空间相贯节点的不同节点形式进行了大量的试验研究和理论分析，但是由于试验条件和分析方法的不同，这些公式间还存在着很多差异。因此，还需要在以下几个方面作进一步的研究：

（1）各国规范中钢管相贯节点极限承载力计算公式都是以平面相贯节点为基础的，而没有空间相贯节点的相关计算公式。

（2）相贯节点的承载力计算公式的建立，还需依靠大量的试验数据进行回归。

（3）疲劳破坏的研究。由于在海洋平台结构中相贯节点的疲劳破坏有较多的研究，而其在房屋建筑结构中的研究还需进一步的开展。

[1]沈祖炎，陈扬骥，陈以一.上海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，（2）.

[2]李常虹.成都双流国际机场T2航站楼钢结构屋盖相贯节点极限承载力分析[J].建筑结构.2010，（9）.

[3]陈国栋，郭彦林，叶浩文等.广州市新体育馆屋盖吊装及拆撑过程动态分析[J].建筑结构.2002，32（1）.

[4]刘曙，王辉.武汉火车站多管相贯节点试验研究[J].施工技术 2010，7，39（7）.

[5]赵鹏飞，钱基宏.单项受力状态下矩形钢管相贯节点的承载力研究[J].建筑结构学报.2005，26（6）：54-63.

[6]徐丹.空间TT形方管节点静力工作性能的有限元分析[D].武汉大学.2005.

[7]赵雅.大尺寸复杂空间相贯节点极限承载力足尺试验研究[D].北京交通大学.2010.