新型半刚性节点网壳结构

第1章 半刚性节点网壳结构 1.1 网壳结构 近些年来，随着大跨度、大空间建筑的快速发展，人们对建筑结构的美观和跨度提出了更高的要求，进一步促进了空间网格结构的发展。空间网格结构分为两种形式，平板形式称为网架结构，曲面形式称为网壳结构。其中网壳结构的受力特点与薄壳结构相似，二者均以“薄膜”作用为主要受力特征。近些年来，由于工业生产及体育文化事业的快速发展，人们对建筑结构的美观及跨度提出了更高的要求，这进一步促进了网壳结构的蓬勃发展，网壳结构也逐渐受到了建筑师和结构师的青睐，成为近年来在建筑工程中广泛应用的一种空间结构形式 [1，2]。 网壳结构具有受力合理、重量轻、杆件单一、制作安装方便、造型优美等一系列特点，它可以覆盖大跨空间，不同曲面的网壳可以提供各种新颖的建筑造型，给设计师以充分的创作自由，能够满足建筑多样化的要求，因而常常被应用于国家或地区的标志性建筑 (如图 1-1 所示)，这些建筑通常具有重要的政治经济意义，并集中代表着一个国家建筑科学技术发展水平，所以网壳结构的理论研究与实践一直是结构学科中*活跃的领域之一。近几年，网壳结构在我国的飞速发展也取得了引人注目的成就，尤其是近三十年来，随着建筑业的发展及科技水平的进步，网壳结构的工程实践数量迅猛增长，被广泛应用于体育馆、游泳馆、会展中心和机场航站楼等大型公共建筑中，如北京亚运会 (1990)、哈尔滨亚冬会 (1996)、上海八运会 (1997)、广州九运会 (2001)、北京奥运会 (2008) 及上海世博会 (2010)中的许多大跨建筑。目前，我国经济持续高速增长，基础设施建设得到了大力发展，各地区对大跨度公共建筑的需求也在不断增加，这是我国建筑业高科技领域面临的巨大机遇和挑战，与此同时，网壳结构作为大跨空间结构的主要形式之一，势必得到更为广泛的应用。 图 1-1 标志性网壳结构 1.2 半刚性节点 近代空间结构在世界工程领域所取得的巨大成功主要归功于两方面的发展：1 形式简单并且适用于快速组装的节点的发展 [3，4]；2 能够实现实际结构数值仿真分析的计算机软件的快速发展。空间结构中常用节点主要有焊接球节点 [5] 和装配式节点。在空间结构设计时，焊接球节点被简化为刚接节点进行设计，以焊接球节点连接的网壳及网架均被作为刚接结构分析计算；而其他的装配式节点则被简化为铰接节点进行设计，认为装配式节点不具备转动刚度，因此以装配式节点连接的单层网壳在实际工程应用中受到了极大的限制。然而，实际上大多数的装配式节点都具有有限的转动刚度，能够承受一定的弯矩，是介于刚接节点和铰接节点之间的一种半刚性节点。相较于刚接节点和铰接节点，半刚性节点具有以下优点：1 与刚接节点相比，半刚性节点采用现场装配式连接，避免了现场焊接施工，所有节点部件均可在工厂预制，很大程度地降低了现场施工的工作量并且有助于提高工程施工质量，可以有效降低现场施工费用；2 与铰接节点相比，半刚性节点具有一定的抗转动刚度，可以提高网壳结构的整体稳定性，使其应用范围更加广泛，特别适用于一定跨度的单层网壳结构。若采用一些新型半刚性节点，对单层网壳结构的工程应用，会起到极大的促进作用。 1.3 半刚性节点及其网壳结构研究历程 由于我国大力提倡发展装配式钢结构建筑，装配式半刚性节点逐渐在工程中得到普遍应用，同时学者们意识到在钢结构简化分析中有关铰接或刚接的理想化假定并不合理 [6-9]，因此在不同建筑领域内的学者们逐渐开展了关于半刚性节点性能的研究，结构类型包括钢框架 [10-12]、大跨空间结构 [13，14]、檩条 [15]、货架 [16]等。学者们开展了大量节点模型试验 [17-19]，得到了不同半刚性节点的转动刚度及其转角–弯矩曲线，并将其简化为理论计算模型 [20，21]，以此为基础对半刚性节点结构的整体性能进行研究。 国内外关于半刚性节点及其网壳的研究始于节点静力性能方面的研究，之后逐渐开展了关于半刚性网壳的静力性能相关研究，得到了节点刚度对单层网壳静力稳定性能的影响规律。近来学者们逐渐开展了对半刚性节点及其网壳动力性能的研究，得到了半刚性节点的滞回曲线，并对节点性能对单层网壳动力性能的影响规律进行了探讨。以下分别从半刚性节点和半刚性节点网壳两个研究方面进行介绍。 1.3.1 半刚性节点性能研究 大跨空间结构半刚性节点静力性能的研究始于 See[22] 和 Fathelbab[23]，他们对螺栓球节点 (如图 1-2a 所示) 的抗弯性能进行了试验研究，获得了此节点在纯弯作用下的转角–弯矩曲线 (φ-M 曲线) 及各参数对节点初始转动刚度的影响规律。随之为了得到轴力对节点刚度的影响规律，学者们也开展了大量的研究。范峰等 [24，25] 开展了螺栓球节点在压力与弯矩同时作用下的静力试验，并通过节点有限元模型得到了节点转动刚度在压力与弯矩联合作用下的变化规律。Chenaghlou等 [26，27] 进行了不同拉弯及压弯荷载下的螺栓球节点试验，结果表明螺栓球节点的极限弯矩受轴力影响显著。同时 El-Sheikh[28]、Lee 等 [29]、Swaddiwudhipong等 [30]、Ueki 等 [31]、Shibata 等 [32]、López[33] 和 López 等 [34] 对不同螺栓球节点也开展了大量试验研究，得到了此类节点在纯弯作用下及弯矩与轴力联合作用的转角–弯矩曲线和刚度变化规律。马会环等 [35] 对碗式节点进行了在轴力与弯矩共同作用下的静力试验，并采用有限元软件对碗式节点 (如图 1-2b 所示) 开展了参数分析，得到了不同构件参数及压弯荷载等级下碗式节点抗弯性能，推导了碗式节点φ-M 曲线预测公式。单晨 [36] 对毂形节点 (如图 1-2c 所示) 进行了数值分析，结果表明毂形节点在网壳平面内方向刚度及承载力很小，而在网壳平面外方向具有一定的转动刚度，同时此节点抗压性能优于抗拉性能。除了对传统节点抗弯能力的研究，少数学者研发了适用于更大跨度网壳、具有更大初始转动刚度的新型半刚性节点。马会环等 [37] 对柱板式节点 (如图 1-3a 所示) 开展了数值参数分析，得到了其在轴力、弯矩及二者联合作用下的初始转动刚度、极限弯矩及破坏模式。文献 [38] 对齿式节点 (如图 1-3b 所示) 同时开展了试验与数值研究，得到了该节点在纯弯作用下的 φ-M 曲线，且将齿式节点简化为弹簧模型，推导了齿式节点φ-M 曲线预测公式。文献 [39，40] 对柱式节点 (如图 1-3c 所示) 开展了静力试验及数值模拟研究，结果表明此节点具有良好的初始转动刚度，并将其φ-M曲线简化为三折线模型，拟合了柱式节点φ-M 曲线预测公式。学者们也逐渐开展了关于半刚性铝合金节点与木节点性能的研究。文献 [41] 提出了一种适用于自由曲面网壳的双环节点，并通过试验得到了该节点的静力初始转动刚度及破坏模式。张竟乐等 [42]、Guo 等 [43] 通过节点试验、有限元分析等方法得到了板式节点不同构件参数下的节点刚度、破坏模式的指标。马会环等 [44] 提出刚度更大的铝合金柱板式节点，建立了该节点有限元模型，结果表明，铝合金柱板式节点在不同荷载作用下的抗弯性能较板式节点有显著提高。关于半刚性木节点方面，孙鸾等 [45，46] 研究了木网壳结构半刚性装配式植筋节点的力学性能，结果表明偏心距与轴力对该节点初始转动影响显著。周华樟等 [47] 总结了新型 Kiewitt6 型木网壳钢夹板节点三种破坏模式，并得到了轴压力对其破坏模式的影响规律。 图 1-2 传统空间装配式半刚性节点 图 1-3 新型空间装配式半刚性节点 装配式半刚性节点滞回性能相关研究集中于框架结构 [48-54]，而针对大跨空间结构装配式半刚性节点的动力性能的研究十分有限。文献 [37] 开展了柱板式节点滞回性能研究，结果表明该节点的滞回性能随轴拉力增加而降低，但轴压力对其影响不大。文献 [55] 对齿式节点滞回性能开展了试验与数值模拟研究，结果表明由于初始安装缝隙，节点存在初始滑移，导致节点滞回曲线具有明显的捏缩效应。任姗 [56] 对不同参数及荷载条件下的柱式节点 (C 型节点) 的滞回性能进行分析，得到了节点的滞回曲线、耗能系数和延性系数等节点滞回性能指标，结果表明该节点滞回性能受轴力的影响不容忽视。 以上研究成果已经表明了传统及新型节点都具有一定的静力抗弯刚度，具备较大的应用潜力及较好的应用前景。但上述成果主要集中在空间半刚性节点的静力性能，针对装配式半刚性节点滞回性能的研究有限，然而在地震荷载作用下，节点破坏主要是由低周疲劳损伤累积引起的，因此，深入研究节点的耗能机制，建立可以应用于整体结构建模的考虑强度和刚度退化的节点损伤模型具有重要的理论意义和应用价值。 1.3.2 半刚性节点网壳结构性能研究 首先学者们开展了半刚性节点网壳整体静力性能相关研究。See[22]，Fathelbab[23] 和 El-Sheikh[28] 对采用螺栓球节点的网壳结构进行了模型试验，结果表明节点刚度对网壳承载力的影响显著，在实际设计建立计算模型时应考虑节点刚度。同时文献 [57-59] 也分析了网壳稳定承载力随节点刚度的变化规律。文献 [60-62]对考虑节点刚度的凯威特网壳结构内力进行推导，初步对不同节点刚度网壳的力学性能进行了分析。范峰等 [63，64] 将螺栓球节点的 φ-M 曲线简化为弹簧单元，建立了不同节点初始转动刚度下的半刚性单层球面网壳的数值模型，分析了各参数对网壳静力承载力的影响情况。马会环等拟合出了无缺陷状态下半刚性球面网壳的极限承载力公式 [65，66]，同时开展了半刚性单层柱面网壳模型试验 [67]，结果表明半刚性单层柱面网壳承载力介于刚接网壳与铰接网壳之间。曹正罡等 [68] 对采用螺栓球节点的单层网壳结构静力稳定性能开展了相关研究，结果表明此类半刚性节点可以应用于一定跨度的单层球面网壳中，但不宜应用于单层柱面网壳中。马会环等 [69] 建立了基于碗式节点 φ-M 曲线的单层椭圆抛物面网壳数值模型，拟合了该结构不同参数下的静力承载力公式。文献 [70， 71] 中表明，类似于碗式节点这类刚度及承载力较小的半刚性节点同样可以应用于中小跨度的单层网壳结构中。文献 [72] 对插管式球节点 (HB 节点) 进行了有限元分析，获得了该节点的φ-M 曲线，并对小跨度 (15m) 的单层网壳静力稳定性进行分析，证明该节点可以满足此类小跨度网壳需求。文献 [73] 采用模型试验与数值模拟相结合的方法对新型 T 型截面节点抗弯性能进行研究，并将该节点 φ-M 曲线带入 40～80m 跨度的网壳中进行结构整体静力稳定性分析，结果表明此节点刚度可以满足此跨度单层网壳的需求。 对于半刚性铝合金单层网壳结构的静力性能，郭小农等 [74] 和熊哲等 [75] 进行了整体半刚性网壳模型试验，验证了基于铝合金板式节点刚度的网壳数值模型的准确性，得到了网壳整体稳定性随各参数的变化规律，并拟合了该结构稳定承载力的计算公式。马会环等 [76] 建立了可以考虑柱板式节点三轴 φ-M 曲线的节点连接单元，并基于该连接单元建立了半刚性椭圆抛物面网壳的数值模型，得到了各轴初始转动刚度对网壳静力承载力的影响规律。文献 [77] 通过大量数值参数分析得到了半刚性铝合金单层球面网壳矢跨比及蒙皮效应对网壳稳定承载力的影响规律，并推导了铝合金单层球面网壳结构稳定承载力的近似计算公式。在半刚性木节点网壳方面，孙小鸾等 [78] 对不同节点刚度的单层木网壳受力性能进行研究，研究结果表明裂缝的发展及试件刚度的退化可以通过提高节点刚度得到显著的改善，同时矢跨比较小的网壳容易发生失稳破坏。周金将等 [79] 对半刚性单层木网壳静力性能进行分析，研究结果表明节点刚度对结构整体稳定性的影响不容忽视