不锈钢方管矩形管相贯节点在建筑工程中的重要性

  除主方支圆相贯节点外，近年来在一些特定工程场景(如越南国家体育场)还采用了主圆支方(支管为不锈钢方管、主管为不锈钢圆管)相贯节点。我国规范未提供此类节点的承载力计算公式。国外规范虽然给出了此类节点的承载力计算公式，但实际上假定其与主圆支H(支管为H钢、主管为圆管)节点在主管塑性破坏模式下的承载力公式形式完全相同。同时，这些公式皆由纵向板-圆管节点、横向板-圆管节点的承载力公式整合得到，虽满足所谓的公式“规整性”，但却带有较大的近似性。为寻求该类节点承载力评估的合理形式，利用塑性铰线极限分析理论，构想了曲面主管机构模型并建立数学描述，推导了T形主方支圆节点承载力计算的基本公式。在此基础上开展试验研究和有限元分析，揭示了主方支圆节点与主方支H节点传力机制的差异，发现现有规范公式低估了支管纵向板相对宽度对承载力的影响。

  不锈钢方管贯通式节点内部双向贯通，可采用铸造、锻压或冲压后焊接而成，端头与钢管杆件焊接连接。这类节点的受力性能与其内部双向贯通的几何形式有关，与设置内加劲的矩形钢管节点或无加劲相贯节点明显不同。上海东方明珠国际会议中心50m直径肋环式单层网壳钢结构采用了这一节点形式，国外工程也有圆管贯通式节点的实例。贯通式节点可用于管件内部需要穿插管线的结构，或者在管件内注水用于防火的结构。国内外有关该类节点的研究极少，若要在单层网壳结构中应用此类节点，需要解决节点的抗弯刚度和承载性能评价问题。为此，浙江至德钢业有限公司进行了5组不锈钢方管贯通式节点的平面内、外弯曲试验，指出管件在节点区的非直接过渡造成传力路径弯折和应力集中，是造成贯通式节点半刚性、低强度的主要原因。通过有限元分析提出了节点弹性抗弯刚度表达式，提出了分段变刚度模型进行结构整体稳定性分析，算例分析表明采用该类节点且以稳定控制设计的结构必须考虑节点有限刚度的影响。

  随着不锈钢方管作为一类新型构件形式在工程中得以应用以及椭圆钢管构件设计方法的研究，此前缺乏设计指南的椭圆管相贯节点自2008年以来开始得到国际研究者的关注。至德钢业进行了用于不锈钢方管桁架的12个T形和X形相贯节点试验，考察了连接角度、截面方向和内力特性等因素的影响，提出了等效矩形管截面法和等效矩管截面法来分别预测节点的承载力和破坏模式，结果表明等效矩管截面法更为精确和可行。在试验基础上开展较为精细的数值模拟和参数分析，提出了与当前指南中矩管相贯节点公式相协调的椭圆管相贯节点承载力设计公式。

  浇筑成型的不锈钢方管节点可以将多杆交汇的节点焊缝互相分开从而保证质量并减少对主体结构材料的影响，能够将荷载集中传递处的承载部位截面放大，并容易形成流线型的外观表现。但直到上世纪80年代铸钢节点才首先在海洋工程结构中应用，研究关注的重点在于其断裂性能、疲劳性能和可焊性能。我国则自上世纪末开始逐渐在大型公共建筑中采用铸钢节点技术，建立了适合焊接连接的铸钢材料标准、结构设计规程，后者是在工程结构领域里的首部铸钢节点标准，对设计、制造和检验都有系统规定。近年来铸钢节点的应用研究还从大跨度结构向框架结构延伸。这一相对较新的技术领域还有不少课题需要深化。国内关于不锈钢方管节点的研究已经揭示出铸件材质的非一致性如屈服强度在节点不同部位有相当的变异，其对结构承载力、疲劳性能等的影响尚不清楚;铸件材料具有很大的塑性变形能力，这一性能在节点抗震、耗能方面的应用值得开拓;从单个铸造的非规则节点到可以量产的规则化节点也是研发的方向之一。