1.2 管桁结构连接节点承载力判定

1.2.1 研究现状分析

针对钢管节点承载力的研究方法主要有理论分析与实验研究两大类。理论分析方法主要有极限状态分析法和有限元法。随着计算机技术的发展，非线性有限元分析方法已成为管桁结构连接节点力学性能研究的主要方法。实验研究方面一般采用钢模型、三向光弹性模型试验或原型观测等方法，其中以钢模型试验较为常见[19][20]。

钢结构连接节点抗震性能的研究进展从国际范围来看，可划分为以下三个基本阶段[21][22]，各阶段的主要研究热点如表1－3所示。

表1－3 管节点抗震性能研究进展

可以看出，以塑性耗能为导向的节点工作机理的研究已成为节点研究最热点的问题。目前研究表明，屈服后的节点域仍有较高的富余强度，同时具有高延性、滞回耗能稳定、延性性能优越、往复应变硬化显著等特点。

管桁结构设计中最本质的制约因素是相贯节点的设计，目前国外已经有了比较完善的基本节点类型的设计建议[23]－[26]，如CIDECT(国际管结构发展与研究委员会)提供的设计指南、国际焊接学会(IIW)空心管节点设计指南(DOC XV-701-89)、欧洲钢结构设计规范(Eurocode3)、日本建筑学会(AIJ)钢管结构设计施工指南、美国焊接学会(AWS)焊接结构规范(AWSD1.1)等。但对节点的滞回耗能的研究还做得不够。在正常使用状态下，相贯节点将弦杆与腹杆连成整体，使之成为结构，有效地承受重力、风载等外部荷载；在强烈地震作用下，腹杆根部和节点域产生塑性变形，形成塑性铰或塑性区，有效地吸收和耗散能量，使结构做到抗震“三水准”设计中的“大震不倒”的要求。

按照建筑抗震试验方法规程(JGJ101-2015)的要求[27]，评价节点抗震性能的主要参数是承载力、延性和能量耗散系数。管桁结构相贯节点抗震性能研究主要对低周往复荷载作用下相贯节点弹塑性滞回性能展开研究。

1.2.2 连接节点破坏模式及极限承载力判定

一般认为，钢管节点的大致破坏过程是[28]：首先应力集中出现在管节点相贯线焊缝附近某个区域，该区域随着应力的增大首先屈服，支管内力增加的同时，塑性区逐渐扩展并引起应力重分布，当节点出现初始裂缝或显示出明显的塑性变形，直至达到最后破坏。这个过程相当复杂，并且发生破坏的模式也有所不同。表1－4列出了可能发生破坏的不同破坏模式，究竟以那种破坏模式作为圆管节点的破坏准则，目前尚存争议。

对于管节点的静力强度可以按极限承载力判别准则、变形极限判别准则或(可视的)裂缝发展判别准则来描述节点破坏模式。从目前国内外的研究成果看，以变形极限作为节点破坏模式的判别准则比较普遍。目前共有四位学者先后提出关于管结构相贯节点变形限值的研究成果。

表1－4 圆钢管K节点基本破坏模式

1.Yura等[29]建议当支管承受轴力时，空心圆钢管节点表面极限变形是支管屈服变形的2倍(2fyL/E)，按试件几何尺寸换算，基本相当于主管直径的3%或支管直径的10.5%(β在0.3左右时)；当支管承受弯矩时，相应的Yura转角限值取为80fy/E。Y ura等提出的以变形极限准则进行控制的节点荷载－位移曲线如图1－32、图1－33所示。

图1—32节点轴力-相对位移曲线

图1—33节点弯矩-转角曲线

从图1－32中可以看出，当支管承受轴力时，相贯节点荷载－位移曲线如(a)和(b)所示。曲线(c)和(d)则意味着主管管壁经历了大变形之后出现了刚度和承载力提高的现象。在曲线(c)中，荷载－变形曲线到达第一个峰值点后节点出现失稳，变形继续增加以致改变了节点的形状。此后节点刚度提高再次达到稳定的平衡。这种情况下第一个荷载峰值点被定义为节点极限承载力。在曲线(d)中，节点失效后没有出现明显的承载力下降。当出现大变形时，由于节点形状的改变，再次出现与曲线(c)一样的刚度增加。因此在刚度提高出现之前支管的轴力被定义为节点实际极限承载力。图1－33的(a)、(b)和(d)为支管承受弯矩时的节点荷载－位移曲线。

在实际试验中，经常出现节点经历了极大的变形而依然未出现荷载降低的情形，如曲线(a)，这主要是由主管管壁的薄膜行为(membraneaction)和材料的应变硬化所导致。由于在实际结构中发生如此大的变形是不现实的，因此有必要采用变形限值来定义节点承载力。

2.Mouty[30]通过对12个对称K型方管间隙节点试验，观察到当连接面发生(为主管宽度)变形时对应的荷载与通过屈服线分析预测的屈服荷载十分吻合，于是建议K型方管节点的变形限值为1%b0。

3.Korol和Mirza[31]建议方管T型节点连接面的变形应限制为节点弹性极限变形的25倍，大致相当于主管壁厚(t)的1.2倍。

4.Lu[32]认为对应于发生变形达到主管宽度(b0)或直径(d)的3% 时的荷载可作为节点的极限荷载。该准则的适用性已通过一系列方管节点的试验得到验证，并被国际焊接协会(IIW)[24]采纳。同时，1%b0(或1%d)的轴向变形限值对应于方管管壁典型非平度(凹凸)的容差，可作为正常使用极限状态的限值，并亦被IIW采纳。

文献[34]仔细分析了上述问题，指出3%d或b0的标准是很有用的判别标准但并非是绝对的。同时指出，不能混淆有明显峰值荷载的节点和使用“极限变形”概念的节点，应明确区分开来；基于静力荷载作用的“极限变形”的概念不适用抗震设计。虽然如此，目前仍广泛采用这一极限变形标准。

我国现行规范基本是沿用了国外的研究成果[10]，只是通过系数因子将某些公式予以降低，节点的正常使用极限状态不必再验算。

本书研究的K型、KK型焊接圆钢管搭接节点，基于主管管壁表面塑性模式下，采用荷载－位移曲线的峰值荷载或3%d变形对应的荷载作为节点的极限承载力。而节点的屈服承载力采用K uro b ane准则[2 9]，即斜率为0.779KN或0.779KM 的割线与节点全过程曲线的交点所对应的荷载作为节点屈服承载力。