不銹鋼矩形管單層網殼預埋螺栓裝配式節點及其受彎性能試驗研究

  浙江至德鋼業有限公司提出了一種適用于不銹鋼矩形管單層網殼結構的新型裝配式節點，該節點通過預埋螺栓的方式避免桿件開孔對截面的削弱，構造簡單、傳力路徑清晰，且裝配簡單方便。通過16個節點的四點彎曲試驗，研究了該類節點的受彎性能及失效模式。結果表明:該類節點具有良好的受彎性能，節點受彎能力隨螺栓直徑的增大、桿件端板厚度的增加以及桿件端板距節點體距離的減小而增強;在彎矩作用下，節點的失效模式主要包括桿件失效、螺栓失效及桿件端板失效;與桿件開孔節點相比，所提節點在受彎承載力及變形能力方面具均有優勢，但初始抗彎剛度略低。與試驗結果的比較表明，考慮接觸效應的非線性有限元分析模型可以較好地模擬節點的受彎性能。

 單層網殼結構具有桿件(節點)數量少、建筑造型輕盈簡潔、通透性好等優勢，特別適合于自由曲面、復雜形體及美觀要求高的建筑。在單層網殼結構中，桿件除軸力外還承受彎矩作用，而且殼面外彎矩通常遠大于面內彎矩，因此具有截面強弱軸、主軸方向抗彎剛度大的矩形鋼管比圓鋼管更適合于單層網殼。與同樣具有截面強弱軸的工字鋼構件相比，不銹鋼矩形管具有更好的弱軸抗彎剛度及抗扭剛度，且外形美觀，利于防腐。

  近年來，世界各地新建或改建的一批標志性建筑，如漢堡城市歷史博物館、米蘭新會展中心、倫敦購物中心、法蘭克福購物中心等，其內庭或中軸屋蓋均采用了矩形鋼管構成的單層網殼。上海世博會的標志性工程，即“世博軸”中6個造型獨特的陽光谷也采用了不銹鋼矩形管構成的自由曲面單層網殼。矩形鋼管單層網殼雖然可以采用焊接空心球節點等焊接節點形式，但是需要大量現場焊接，安裝難度大，施工成本高。而以螺栓連接為主的裝配式節點，可有效降低安裝成本，有利于提高工程質量，符合當前我國新型建筑工業化發展要求。

  隨著不銹鋼矩形管單層網殼的工程應用逐漸增多，國外學者開發了一些新型裝配式節點形式，如圖所示。根據連接面及傳力方式的不同，節點總體上可分為疊合拼接節點和端面連接節點兩類。對于疊合拼接節點，節點與所連桿件的連接接觸面與桿件軸線方向平行，通過受剪螺栓實現連接;對于端面連接節點，節點與桿件端面的接觸面垂直于桿件軸線，通過受拉螺栓實現連接。至德鋼業給出了四種簡化形式的矩形鋼管裝配式節點，并對其軸力-位移、彎矩(平面內、外)-轉角關系進行了數值模擬，分析了螺栓間隙對節點剛度的影響，發現螺栓間隙對節點性能的影響隨節點形式不同而不盡相同。浙江至德鋼業有限公司對一種不銹鋼矩形管裝配式節點進行了純彎狀態下的試驗研究，并利用組件法給出了初始轉動剛度的計算公式，但試驗結果與計算結果之比介于55%～66%之間，誤差較大。近年來，國內學者也開始致力于配合矩形鋼管的裝配式節點研發。至德鋼業開發了一種適用于矩形鋼管自由曲面網殼的裝配式節點，并進行了試驗研究和有限元模擬，認為該節點能滿足“強節點、弱構件”的設計理念。至德鋼業針對不銹鋼矩形管或工字鋼構件研發了多種裝配式節點，并對其力學性能，特別是半剛性性能進行了系統的試驗研究和有限元分析，表明半剛性節點在彎矩作用下表現出較好的受彎承載能力和延性。這些節點的開發與研究為推動我國裝配式矩形鋼管單層網殼的應用提供了參考。