新型螺栓球柱节点静力承载性能试验研究

郭小农，黄泽韡，杨商飞，彭 礼

（1.同济大学 土木工程学院，上海200092；2.上海泰大建筑科技有限公司，上海200092）

在众多形式的空间结构中，网架结构是近半个世纪以来在国内外得到推广和应用最多的一种形式[1－2]，我国对于网架结构及其节点的研究也非常成熟[3－4]，还有不少学者提出了各种新型的网架节点型式[5－8].

对于传统的网架结构，节点通常采用螺栓球节点或者焊接空心球节点；杆件通常采用圆钢管，按轴心受力构件进行设计.为了避免杆件受弯，所有荷载必须作用在节点上；因此，为了铺设屋面板，通常在节点上还需另外设置檩条.这就会增加构件种类及数量，增加建筑高度.尤其对于外观要求较高的采光顶工程，上弦杆件和檩条这两层构件叠置，视觉效果较差.

相对于传统的网架结构，近年来有学者提出一种无檩网架结构体系[9].无檩网架的上弦杆通常采用矩形管截面，可以兼作檩条，能够承担弯矩和轴力；无檩网架的下弦杆和腹杆根据受力情况可以仍然按二力杆设计.无檩网架和传统有檩网架相比最大的优点在于降低了建筑净高，外形更加美观，施工更加便捷.

1 螺栓球柱节点构造

螺栓球柱节点是彭礼和郭小农[10]提出的一种新型无檩网架上弦节点，其具体构造如图1所示.该节点由两部分组成：下半部分为实心螺栓半球节点，其构造和传统的螺栓球节点相同；上半部分为空心圆柱体，空心圆柱体尺寸和开孔尺寸根据无檩网架上弦杆件规格确定；两部分之间采用等强焊接连接.为了增加节点的刚度和承载力，也可以在空心圆柱体顶部设置加劲肋.无檩网架的上弦杆采用矩形管截面，端部和弧形端板等强焊接；端板的弧面尺寸和空心圆柱体相契合，弧形端板上设置2个内螺纹孔.上弦杆弧形端板和节点圆柱体之间采用内六角高强度螺栓连接；螺栓自内向外拧紧，圆柱体内的空腔提供操作内六角高强度螺栓的空间.最后，为了使螺栓和空心圆柱体内壁完全接触，还设置了弧形垫片.

图1 螺栓球柱节点示意图Fig.1 Configurations of bolted ball－cylinder joint

这种新型螺栓球柱节点外形美观，构造精巧，对于外观要求较高的采光顶结构尤其适用，具有广阔的应用前景.为了探究这种新型螺栓球柱节点的破坏模式、节点承载力和节点刚度等性能，本文进行了13个螺栓球柱节点试验，详细介绍了试验过程，描述了试验现象，总结了其破坏模式、承载力特性和刚度特性.试验数据为后续的节点承载力以及节点刚度研究提供了基础.

2 试验简介

2.1 试件设计

本文共设计了13个螺栓球柱节点试件，试件详图如图2所示，部分试件的照片如图3所示.每个节点圆柱端均连接4根矩形钢管，相邻杆件角度均为90°，杆件截面规格均为120 mm×60 mm×5 mm，较长杆件长度为116 mm，较短杆件长度为56 mm.对于螺栓球柱节点而言，螺栓半球部分通常不会发生破坏，因此在设计试件时将下半球简化为一个实心半球，为了加载方便，在半球外侧焊接了一根Φ43×3 mm、长40 mm的圆管.所有节点的螺栓型号采用M20，性能等级为10.9级.弧形端板高度120 mm，宽度60 mm，螺栓边距30 mm，螺栓间距60 mm；增设了加劲肋的试件，其加劲肋宽度20 mm，加劲肋厚度12 mm，加劲肋通过精加工和圆筒一起成型.杆件及节点的材料牌号均为Q235钢材.

表1给出了所有试件的具体信息.表1中，“JD”代表试件编号；“H”代表圆柱部分高度；“T”代表圆柱壁厚；“RY”表示设置了加劲肋，“RN”表示无加劲肋；“C”，“T”，“SB”，“WB”均表示加载方式，分别代表了受压、受拉、强轴受弯、弱轴受弯.

2.2 加载方案

本试验共采用了4种加载方式，分别为单向施加压力、单向施加拉力、强轴弯曲加载和弱轴弯曲加载.加载方式如图4所示.其中，对6个节点进行了压力加载.由于螺栓球柱节点主要用于网架上弦，网架的上弦通常是受压构件，且单向受压比双向受压更加不利，故在加载时采用了单向压力加载.在悬挑网架中也可能出现上弦杆受拉的情况，故对3个节点进行了拉力加载.另外，为了考虑节点的转动刚度以及在弯矩作用下的承载性能，还各取2个节点进行了强轴弯曲加载和弱轴弯曲加载.所有荷载均通过杆件的中心线.

表1 螺栓球柱节点模型试件汇总表Tab.1 Geometrical parameters of bolted ball－cylinder joint specimens corresponding to Fig.2

图4 加载方式Fig.4 Loading schemes

2.3 测点布置

如图5所示，对于受拉和受压试件，在圆柱体管口交差布置位移计（D1，D2）测量圆柱体管口的相对位移.圆柱体在A－A，B－B截面处各布置4枚应变片（SA1～SA4，SB1～SB4），与水平、竖直方向夹角45°，用于测量节点受力时圆柱筒壁的应变量.受力杆的CC，D－D 截面各布置4枚应变片（SC1～SC4，SD1～SD4），用于校核轴力的大小.

图5 单向受力构件测点布置图Fig.5 Measuring point ar rangement of axis loading specimens

如图6，7所示，对于受弯试件，在圆柱筒壁两侧和支座端板处布置位移计（D1，D2，D3，D4），用于测量节点受弯时的挠度.圆柱体在A－A，B－B截面处各布置4枚应变片（SA1～SA4，SB1～SB4），与水平、竖直方向夹角45°，用于测量节点受力时圆柱筒壁的应变量.受力杆的C－C，D－D截面处各布置4枚应变片（SC1～SC4，SD1～SD4），测量弯矩的大小.

2.4 材性试验

试验前从空心圆柱体的芯部取样，共制作了6个材料拉伸试样，拉伸试验结果如表2所示，破坏后的拉伸试样如图8所示.

表2 材性试验结果Tab.2 Result of tensile test

图8 破坏的拉伸试样Fig.8 Material test of specimens

3 试验现象简述

试验完成后，将试件拆卸观察，根据试件的破坏现象可以归纳出各试件的破坏模式（表3）.部分试件破坏时的照片如图9所示.

表3 试验结果汇总Tab.3 Results of tests

图9 部分试件破坏时照片Fig.9 Specimens after testing

4 试验结果分析

4.1 实测荷载－位移曲线

图10给出了部分单向受压试件的管口压缩变形的实测荷载－位移曲线；图11为图10的加载初期曲线.图10，11中，横轴代表管口相对压缩变形，纵轴为荷载.从图10可以看出，在压力作用下，节点的压缩变形能力很强，呈现出很好的延性.在加载初期荷载位移曲线基本为直线，随着荷载的增加，孔壁逐渐进入塑性，刚度逐渐降低.结合图11及表3可知，JD5－H140－T10－RY－C由于设置了加劲肋，其初始刚度明显大于其他试件，承载力也最高；而JD6－H120－T08－RY－C虽然也设置了加劲肋，但其圆柱筒壁较薄，受压承载力小于其他试件.比较各试件的承载力可知，筒壁厚度对受压承载力有较大影响，筒壁越薄，受压承载能力越差.受压试件中，仅有JD4－H120－T10－RN－C为冲切破坏，发生破坏时节点的变形较小，延性比其他试件更差，且破坏发生时很突然，属于脆性破坏，故在实际工程中应尽量避免.

图12给出所有单向受拉试件的管口拉伸变形的实测荷载－位移曲线.图中，横轴代表管口相对拉伸变形，纵轴为荷载.从图12可以看出，在拉力作用下，未 设 加 劲 肋 的 JD7－H120－T08－RN－T，JD8－H160－T08－RN－T管口变形较大，呈现出很好的塑性；而设置了加劲肋的JD9－H120－T08－RY－T的初始刚度明显大于其他试件，但由于其节点承载力高于杆件焊缝承载力，故当发生杆件焊缝拉裂破坏时，管壁基本还处于弹性阶段，塑性发展不明显，筒壁几乎没有可见变形.

图10 部分受压试件管口压缩变形的荷载－位移曲线Fig.10 Load－displacement of com pression specimens

图11 部分受压试件管口压缩变形的荷载－位移曲线（加载初期段）Fig.11 Load－displacement of compression specimens（initial loading period）

图12 受拉试件孔口拉伸变形的荷载－位移曲线Fig.12 Load－displacement of tension specimens

图13给出所有强轴受弯试件的中点竖向挠度的实测荷载－挠度曲线.图中，横轴代表中点竖向挠度，纵轴为荷载；中点竖向挠度根据位移计D1～D4的读数计算得到，中点竖向挠度＝（D1位移＋D2位移－D3位移－D4位移）／2.从图13可以看出，螺栓球柱节点具有较好的强轴受弯承载能力.在加载初期荷载－挠度曲线基本为直线，随着荷载的增加，孔壁逐渐进入塑性，刚度逐渐降低.JD11－H160－T12－RY－SB由于设置了加劲肋且壁厚较厚，其强轴受弯承载能力明显高于JD10－H140－T08－RN－SB，但塑性相对较差.从图中也可以看出两者的初始刚度相差不大，这主要是因为节点在绕强轴弯矩作用下，杆件端板和管口外壁之间有张开的趋势，此时的抗弯刚度主要取决于螺栓的刚度，而和是否设置加劲肋关系不大.

图13 强轴受弯试件荷载－中点挠度曲线Fig.13 Load－deflection of strong－axis bending specimens

图14给出所有弱轴受弯试件的中点竖向挠度的实测荷载－挠度曲线.图中，横轴代表中点竖向挠度，纵轴为荷载；中点竖向挠度根据位移计D1～D4的读数计算得到，中点竖向挠度＝（D1位移＋D2位移－D3位移－D4位移）／2.从图14可以看出，螺栓球柱节点具有一定的弱轴受弯承载能力，但是较其他受力状态承载能力弱，曲线较早进入了非线性.随着荷载的增加，孔壁逐渐进入塑性，刚度逐渐降低.

图14 弱轴受弯试件荷载－中点挠度曲线Fig.14 Load－deflection of weak－axis bending specimens

4.2 实测荷载－应变曲线

图15给出了受压试件JD3－H120－T12－RN－C孔口实测荷载－应变曲线.从图中可知曲线出现了两次转折.加载初期，由于千斤顶从试件上端施加荷载，位于试件水平轴线上部的SA1，SA2处主要为压应变，位于试件水平轴线下部的SA3，SA4处主要为拉应变.加载中期，管口钢材开始屈服，刚度逐渐下降，管口竖向相对压缩位移增大的同时水平方向相对扩张，因而测点处受到一定拉应力，产生第一个转折.加载后期，由于杆件连接处内、外垫板的存在使管口变形受到一定限制，受力杆向中心挤压，管口测点处受到压应力，产生第二个转折，此时管口变形快速增大.

图15 JD3－H120－T12－RN－C荷载－应变曲线Fig.15 Load－strain of specimen JD3－H120－T12－RN－C

图16给出了受拉试件JD7－H120－T08－RN－T管口实测荷载－应变曲线.图中曲线同样转折了两次.加载初期，试件处在弹性阶段，荷载－应变曲线基本为线性增长.加载中期，试件进入塑性阶段，刚度逐渐下降，出现第一个转折.加载后期，管口变形快速增大，荷载－应变曲线出现第二个转折，直到焊缝出现拉裂破坏.

图16 JD7－H120－T08－RN－T荷载－应变曲线Fig.16 Load－strain of specimen JD7－H120－T08－RN－T

从图15和图16还可以看出，在单向压力和拉力作用下，圆柱筒壁的应力以环向应力为主；在整个加载过程中，各测点处的环向应力之间差异不大，应力应变的发展趋势基本一致.

图17给出了强轴受弯试件JD10－H140－T08－RN－S管口实测荷载－应变曲线.从图中可知，整个加载过程中应变片主要为压应变.加载初期，试件处在弹性阶段，荷载－应变曲线呈现出良好的线性.加载后期，螺栓附近管壁屈服，管口变扁，应变加速增长.

图17 JD10－H140－T08－RN－SB荷载－应变曲线Fig.17 Load－strain of specimen JD10－H140－T08－RN－S

图18给出了弱轴受弯试件JD13－H140－T12－RN－WB管口实测荷载－应变曲线.从图中可知，加载初期，在弯矩作用下位于试件水平轴线上部的SA1，SA2处主要呈压应变，位于试件水平轴线下部的SA3，SA4处主要呈拉应变.加载后期，SA3，SA4处逐渐转折，试件下部受到压应力.

从图17和图18还可以看出，在弯矩作用下，圆柱筒壁的应力以同样以环向应力为主；在整个加载过程中，强轴受弯各测点处的环向应力之间差异不大，应力应变的发展趋势基本一致，但弱轴受弯不同测点的环向应力有较大的差异.

图18 JD13－H140－T12－RN－WB荷载－应变曲线Fig.18 Load－strain of specimen JD13－H140－T12－RN－W

5 结论

本文在传统网架螺栓球节点的基础上，研发了一种可用于无檩网架的新型节点——螺栓球柱节点.完成了13个螺栓球柱节点的承载力试验，通过试验可得出如下结论：

（1）螺栓球柱节点在不同的受力模式下主要有圆柱筒壁压扁破坏、圆柱筒壁冲切破坏、螺栓拔出破坏、焊缝拉裂破坏等4种破坏模式.单向受压试件主要发生管口变形过大的圆柱筒壁压扁破坏；但是当圆柱部分直径较大、孔壁较薄时可能在连接杆件处发生冲切破坏，此类破坏为脆性破坏，实际工程中应尽量避免.对单向受拉试件主要破坏模式为焊缝拉裂破坏及螺栓拔出破坏.受弯试件则主要为螺栓拔出破坏.

（2）当螺栓球柱节点承受单向压力或拉力时，设置加劲肋能大幅提高节点的刚度和承载力.在强轴受弯时，设置加劲肋仅对节点的承载能力有提高，但对节点的刚度影响不大.

（3）螺栓球柱节点的壁厚越厚，其刚度越大，承载能力越高.

（4）在单向压力和拉力作用下，圆柱筒壁的应力以环向应力为主；在整个加载过程中，各测点处的环向应力之间差异不大，应力应变的发展趋势基本一致.

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