半刚性节点网壳结构研究进展及关键问题―第27届全国结构工程学术会议特邀报告

分类：冶金论文发表 时间：2018-09-18 10:16 关注：(1)

　　*范峰，马会环，马越洋(哈尔滨工业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨150090)

　　摘要：装配式节点通常采用单根或多根螺栓与构件连接，往往具有一定的半刚性特性。但目前，由于对装配式节点认识不足，在装配式网壳结构分析和设计时，通常假定其节点连接为铰接;然而，通过研究发现实际装配式节点具有较好的半刚性性能;为适应实际工程所研发的新型装配式半刚性节点具有刚度更大、更加高效等优点，可应用于更大跨度的单层网壳结构中。半刚性节点网壳结构具有广阔的应用前景，针对半刚性节点及其网壳性能的研究逐渐成为建筑结构领域的热点研究课题之一。本文综述了国内外半刚性节点及半刚性节点单层网壳结构的现有研究成果以及尚需深入研究的主要问题。文献分析表明，目前针对半刚性节点及半刚性节点网壳结构静力性能的研究已取得一定的成果。然而，关于空间半刚性节点在复杂荷载作用下节点抗弯性能、空间半刚性节点耗能性能、适用于更大跨度的新型空间节点研发、半刚性节点网壳结构动力稳定性等方面有必要进行更多更深入的试验和理论研究，以推动半刚性节点单层网壳结构的实际工程应用。

　　关键词：半刚性节点;抗弯性能;网壳结构;静力稳定性;动力稳定性

　　中图分类号：TU393.3文献标识码：A

　　DEVELOPMENTANDKEYISSUESOFRETICULATEDSHELLSWITHSEMI-RIGIDJOINTS

　　*FANFeng,MAHui-huan,MAYue-yang

　　(SchoolofCivilEngineering,HarbinInstituteofTechnology,202HaiheRoad,NangangDistrict,Harbin150090,China)

　　Abstract:Theassemblejointswhichareusuallyconnectedwiththemembersbyoneorseveralboltsaresemi-rigid.Duetothelimitstudyoftheassemblejoints,theassemblejointsareassumedasthepinjointsduringtheanalysisanddesignofthestructures.However,thestudyresultsshowthattheassemblejointsaretypicalsemirigidjoints,andsomenewassemblejointshavethemeritsofmorestifferandmoreefficient,whichcanbeusedinalargerspansingle-layerreticulatedshells.Thereticulatedshellswithsemi-rigidjointshaveawideapplicationprospect,andthesemi-rigidjointsystemsandsemi-rigidlyjointedreticulatedshellshavebecomeanewresearchhotspotinthefieldofengineeringstructures.Inthispaper,astate-of-the-artreviewofresearchonthesemi-rigidjointsandsemi-rigidlyjointedreticulatedshellsarepresent.Theresearchfindingsarepresentedandsomekeyissuesforfurtherstudyaresuggested.Theresearchonthesemi-rigidjointsandsemi-rigidlyjointedreticulatedshellshasalreadyobtainedcertainpositiveresults.However,moreexperimentalandtheoreticalstudyonthejointsundercomplexloadcombinations,thenewjointdesignforlargerspanstructures,thestaticanddynamicstabilityofsingle-layerreticulatedshellswithsemi-rigidjointsshouldbecarriedout.Theresultsshouldbeanalyzedandsummarizedindetailtopromotethepracticalapplicationofsingle-layerreticulatedshellswithsemi-rigidjoints.

　　Keywords:semi-rigidjoint;reticulatedshell;staticstability;Failuremechanism;disastercontrol

　　网壳结构以其结构受力合理、造价经济、造型美观多样等优点而在空间结构中得到广泛应用,多应用于剧院剧场、展览场馆、体育场馆等标志性建筑。

　　随着计算机技术的发展及人们对建筑多样化要求的提高，轻型结构越来越受到建筑师的垂青，因此越来越多的空间结构开始采用单层网壳结构，以实现“轻质”、“经济”、“高强”和“透明”的建筑要求，满足使用者日益提升的感官和功能需求。节点作为单层网壳结构的关键组成元素，其受力性能直接影响结构的力学性能。

　　目前应用于网壳结构中的节点根据现场施工方式可以分为焊接式和装配式，其中装配式节点具有施工精度高、效率高等特点，符合新时期建筑绿色节能的要求，具有广阔的应用前景。而装配式节点在力学性能上主要表现为半刚性，是一种介于铰接与刚接之间的节点形式，因此在对采用了装配式节点的空间网壳结构进行设计与分析时，应考虑节点刚度对结构的影响。

　　目前，国内外学者已经对装配式半刚性节点及其网壳的受力性能进行了一系列的研究，通过多种研究方法得到了较为丰富的成果。本文对现有研究方法及成果进行总结，提出进一步研究亟需解决的问题。

　　2半刚性节点

　　2.1半刚性节点静力性能

　　针对半刚性节点的静力性能的研究主要集中于节点刚度，承载力，破坏模式等方面，国内外学者逐渐开展了大量试验研究、数值模拟及理论研究。

　　首先，为获得传统装配式半刚性节点的刚度潜力，国内外学者逐渐开展了大量研究工作。目前空间结构中常用的装配式螺栓球节点、碗式节点和毂形节点都按理想铰接设计，但实际上这些节点也具有一定转动刚度。螺栓球节点(图1-a)作为应用最广泛的空间节点形式之一，对其半刚性的研究始于1983年，See[2]和Fathelbab[3]对螺栓球节点进行了弯矩荷载下的试验研究，得到了该节点的弯矩-转角曲线及套筒松动对节点转动刚度的影响规律。

　　范峰等[4-5]进一步开展了螺栓球节点压弯联合作用下的试验研究，同时建立了考虑轴压力及螺栓预紧力的半刚性节点精细化数值分析模型，得到了节点在压弯荷载联合作用下的节点转动刚度及极限承载力。Chenaghlou等[6-7]进一步对螺栓球节点进行了弯矩荷载和不同轴力荷载作用下试验研究，研究表明轴力会降低螺栓球节点的极限承载力。碗式节点(图1-b)同样是近年来备受关注的一种新型空间节点体系，马会环等[4]对其进行了在弯矩作用和压弯联合作用下的试验研究，并应用ANSYS进一步对碗式节点进行了数值模拟[8]，研究了螺栓直径，垫片尺寸，螺栓中预紧力的大小以及压弯应力比等不同参数对碗式节点抗转动性能的影响，拟合出了碗式节点弯矩-转角曲线预测公式。单晨等[9]对不同受力情况下的毂形节点(图1-c)的承载力进行了数值模拟分析，得到了节点的极限承载力和破坏模式。

　　a)螺栓球节点b)碗式节点c)毂形节点除了挖掘传统节点的刚度潜力外，也有少数学者为了适应更大跨度单层网壳结构的工程应用，研发了刚度更大、更加高效的新型装配式节点。而且，传统半刚性节点多是用于连接圆钢管杆件，而与圆钢管杆件相比，具有强弱轴的矩形截面杆件或工字钢截面等非圆截面杆件能够为单层网壳结构提供更大的面外抗弯刚度，对于单层网壳而言是一种更好的选择。

　　马会环等[10-11]采用了ABAQUS软件对柱板型半刚性节点(图2-a)进行了数值模拟研究，得到了该节点在轴力、弯矩及二者联合组用下的刚度、承载力及破坏模式;对齿式半刚性节点(图2-b)进行了抗转动性能试验，同时建立了精细化三维有限元模型，得到了齿式节点在弯矩荷载作用下的力学性能，并采用组件法提出了齿式节点简化力学模型，拟合了节点的弯矩-转角曲线。

　　连接非圆截面杆件的半刚性节点在网壳结构中平面外与平面内的刚度具有明显的差别，因此在对连接此类杆件的半刚性节点研究中，也应考虑节点绕不同轴转动时的刚度差别。文献[12-13]对柱型半刚性节点(图2-c)进行节点绕杆件强轴和弱轴的抗转动性能的试验及数值模拟研究，结果表明柱型节点在平面内与平面外均具有良好的抗转动刚度及承载力，并将柱型节点弯矩-转角曲线简化为三折线模型，推到了其弯矩-转角曲线的理论预测公式，如公式(1)所示。