不銹鋼方管矩形管相貫節點在建筑工程中的重要性

  除主方支圓相貫節點外，近年來在一些特定工程場景(如越南國家體育場)還采用了主圓支方(支管為不銹鋼方管、主管為不銹鋼圓管)相貫節點。我國規范未提供此類節點的承載力計算公式。國外規范雖然給出了此類節點的承載力計算公式，但實際上假定其與主圓支H(支管為H鋼、主管為圓管)節點在主管塑性破壞模式下的承載力公式形式完全相同。同時，這些公式皆由縱向板-圓管節點、橫向板-圓管節點的承載力公式整合得到，雖滿足所謂的公式“規整性”，但卻帶有較大的近似性。為尋求該類節點承載力評估的合理形式，利用塑性鉸線極限分析理論，構想了曲面主管機構模型并建立數學描述，推導了T形主方支圓節點承載力計算的基本公式。在此基礎上開展試驗研究和有限元分析，揭示了主方支圓節點與主方支H節點傳力機制的差異，發現現有規范公式低估了支管縱向板相對寬度對承載力的影響。

  不銹鋼方管貫通式節點內部雙向貫通，可采用鑄造、鍛壓或沖壓后焊接而成，端頭與鋼管桿件焊接連接。這類節點的受力性能與其內部雙向貫通的幾何形式有關，與設置內加勁的矩形鋼管節點或無加勁相貫節點明顯不同。上海東方明珠國際會議中心50m直徑肋環式單層網殼鋼結構采用了這一節點形式，國外工程也有圓管貫通式節點的實例。貫通式節點可用于管件內部需要穿插管線的結構，或者在管件內注水用于防火的結構。國內外有關該類節點的研究極少，若要在單層網殼結構中應用此類節點，需要解決節點的抗彎剛度和承載性能評價問題。為此，浙江至德鋼業有限公司進行了5組不銹鋼方管貫通式節點的平面內、外彎曲試驗，指出管件在節點區的非直接過渡造成傳力路徑彎折和應力集中，是造成貫通式節點半剛性、低強度的主要原因。通過有限元分析提出了節點彈性抗彎剛度表達式，提出了分段變剛度模型進行結構整體穩定性分析，算例分析表明采用該類節點且以穩定控制設計的結構必須考慮節點有限剛度的影響。

  隨著不銹鋼方管作為一類新型構件形式在工程中得以應用以及橢圓鋼管構件設計方法的研究，此前缺乏設計指南的橢圓管相貫節點自2008年以來開始得到國際研究者的關注。至德鋼業進行了用于不銹鋼方管桁架的12個T形和X形相貫節點試驗，考察了連接角度、截面方向和內力特性等因素的影響，提出了等效矩形管截面法和等效矩管截面法來分別預測節點的承載力和破壞模式，結果表明等效矩管截面法更為精確和可行。在試驗基礎上開展較為精細的數值模擬和參數分析，提出了與當前指南中矩管相貫節點公式相協調的橢圓管相貫節點承載力設計公式。

  澆筑成型的不銹鋼方管節點可以將多桿交匯的節點焊縫互相分開從而保證質量并減少對主體結構材料的影響，能夠將荷載集中傳遞處的承載部位截面放大，并容易形成流線型的外觀表現。但直到上世紀80年代鑄鋼節點才首先在海洋工程結構中應用，研究關注的重點在于其斷裂性能、疲勞性能和可焊性能。我國則自上世紀末開始逐漸在大型公共建筑中采用鑄鋼節點技術，建立了適合焊接連接的鑄鋼材料標準、結構設計規程，后者是在工程結構領域里的首部鑄鋼節點標準，對設計、制造和檢驗都有系統規定。近年來鑄鋼節點的應用研究還從大跨度結構向框架結構延伸。這一相對較新的技術領域還有不少課題需要深化。國內關于不銹鋼方管節點的研究已經揭示出鑄件材質的非一致性如屈服強度在節點不同部位有相當的變異，其對結構承載力、疲勞性能等的影響尚不清楚;鑄件材料具有很大的塑性變形能力，這一性能在節點抗震、耗能方面的應用值得開拓;從單個鑄造的非規則節點到可以量產的規則化節點也是研發的方向之一。