空间组合节点研究现状

常玉珍程迪焱冯婷

西安建筑科技大学土木工程学院陕西西安710055

摘要：对当前研究的空间组合节点的构造形式、受力性能、影响节点力学性能和抗震性能的主要因素进行分析。总结研究成果发现：空间组合节点在低周反复荷载作用下有较好的刚度和延性，可提高节点的极限承载力，而且不同的构造形式、加载路径、梁柱截面形式、抗剪连接件布置及节点位置，荷载类型等，都会对空间组合节点的受力性能产生很大影响。最后指出目前研究的不足，给出今后节点研究工作建议，为后期节点研究提供参考。

关键词：组合结构；空间结构；空间组合节点；受力性能

引言

纵观国内外工程项目，组合结构和空间结构发展迅速，大跨度建筑及其核心技术的发展已经成为代表一个国家建筑科技水平的重要标准之一。随着各种空间组合结构形式的发展，节点的复杂性大大提高，不仅形式多样，交汇杆件的数量也越来越多。结构能否大力推广，关键在于节点的发展。在空间结构中，节点起着连接交汇杆件、传递荷载的作用，节点的安全性至关重要。构造简单、受力明确、安装方便、造价低廉的节点，容易在空间结构中推广，从而能够促进空间结构的发展[3]。所以，随着组合结构和空间结构发展，对于空间组合节点的研究必须随之深入。

1空间组合节点的构造形式

根据结构形式不同，将空间组合节点的形式主要分为两种：1）组合结构中的空间节点；2）空间结构中的组合节点。

1.1组合结构中的空间节点

目前国内外对组合结构节点（特别是组合结构中的框架结构梁—柱节点）的研究较多，主要集中在平面节点上。但是震害结果调查表明，节点发生的破坏远大于预期，这主要是因为结构的地震响应是多维的，所以考虑双向受力的空间节点性能与平面节点性能大不相同。在地震作用下，梁—柱节点将同时拥有两个方向梁所传来的弯矩、剪力、扭矩和轴力等，其在双向受力作用下的性能和受力机理更为复杂，表现出较强的空间耦合作用。因此，准确计算节点在双向受力状态下的受力性能和变形特征，对于合理评估空间节点在地震作用下的安全性、可靠性，进而对组合结构体系的抗震设计及安全性评估都具有重要的意义。所以，国内外很多学者开始研究组合结构中的空间节点。

组合结构中的空间节点构造形式有很多，其中有：聂建国等[1-5]研究的方钢管混凝土柱—组合梁与方钢管混凝土柱—钢梁连接的内隔板式节点、外隔板式节点、栓钉内锚固式节点、内隔板贯通式节点；石文龙、李国强等[6]研究的梁、柱采用平齐式高强螺栓端板连接的组合框架中柱节点；樊健生等[9]研究的方钢管混凝土柱—组合梁空间节点；张福[7-8]研究的钢管混凝土加强环式空间节点，等等。

1.2空间结构中的组合节点

空间结构中节点起着连接汇交杆件、传递荷载的作用，其安全性至关重要。节点一旦失效，相连杆件将丧失部分或全部承载功能，可能造成传力路径改变、结构体系局部破坏，甚至可能引发整个体系连续性破坏[9]。当前，我国工程中常用的空间结构节点类型有螺栓球节点、焊接空心球节点、相贯节点、铸钢节点等，而针对空间结构中的组合节点研究却很少，也仅仅限于钢管混凝土空间相贯节点和一些组合壳体的节点。华南理工大学的季静、方小丹等提出了钢管混凝土巨型斜交网格空间相贯节点；中国建筑设计研究院有限公司的隋庆海、申豫斌，上海宝冶建设有限公司的孙建奖提出了一种相贯焊与铸钢相结合的组合节点。

2空间组合节点的性能和影响因素

2.1空间组合节点的性能

大量试验研究和理论分析均表明[4-12]，通过合理的构造，空间组合节点在低周反复荷载下有较好的刚度和延性，可提高节点的极限承载力，增加结构的耗能能力，防止节点脆性破坏。文献[4]试验结果表明：构造合理的组合节点在循环荷载下具有良好的抗震性能，对称加载条件及钢骨混凝土柱中混凝土的作用均使得节点强度和初始刚度有所提高；文献[9]试验结果表明：组合节点弯矩—转角滞回曲线饱满且稳定，表明节点具有良好的耗能能力，受弯承载力，而且转动刚度较纯钢节点有较大提高，表现出良好的抗震性能。文献[11]试验结果表明：通过合理的构造措施，外包钢一混凝土组合梁与钢管混凝土柱连接节点具有较强的受剪承载力，较好的延性和耗能能力，能够满足工程要求。

2.2空间组合节点性能影响因素

2.2.1受力性能影响因素

影响空间组合节点受力性能的因素有很多，研究发现，加载路径、内填混凝土的强度、梁柱截面形式、刚节点的形式和数量、抗剪连接件的布置、混凝土楼板、柱类型及节点位置，荷载类型等，都会对空间组合节点的受力性能产生很大影响。

文献[4]说明了由于试验中钢骨混凝土柱节点钢材屈服强度高于H型钢柱节点，承载力的提高并不仅仅是钢骨混凝土柱中混凝土作用的结果，需要结合分析计算，将钢骨混凝土柱节点的钢材强度替换为钢柱节点的钢材强度，再进行对比分析；文献[5]研究了楼板沿柱弱轴方向的传力机制和两个方向的相互作用，钢柱强轴方向与钢梁的连接采用T型钢支托，在梁底、抗剪板与腹板采用螺栓连接，弱轴方向与钢梁通过抗剪板与钢梁腹板螺栓连接。试验结果表明：强轴方向的抗剪连接程度比弱轴方向低，组合作用较弱，循环荷载对于组合梁的组合作用有明显削弱；文献[11]研究了节点区混凝土及钢管等因素对承载力方面的影响程度；文献[12]试验表明：混凝土楼板与钢梁的组合作用以及对节点核心区的约束作用、钢管柱内填混凝土均能够明显改善空间节点的受力性能，相对于中柱组合节点，角柱节点的核心区受力较小，整个节点具有更高的承载能力和刚度。

3建议

综上所述，由于节点实际形式的复杂多样，关于空间组合节点的研究工作还不够，需要研究的内容还很多。现行规范所给出的节点计算公式远远不能满足实际需要，尤其缺乏针对空间组合节点方面的计算。所以，空间组合节点的研究还有很多方面需要继续努力。

对于组合结构中的空间节点研究多集中于框架结构中的梁柱节点，应向网壳结构，网架结构等空间结构中的组合节点进行延伸；复杂的空间节点的承载力计算公式目前仅仅是在平面节点承载力的计算公式基础上采用系数修正，这样还不够完善，应该考虑空间节点的空间效应；当前关于材料本身的几何缺陷对空间组合节点的节点承载力的影响的研究还很少；空间组合节点的设计方法及其构造措施方面也有待深入。

参考文献：

[1]聂建国，刘明，叶列平等.钢-混凝土组合结构[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.

[2]陈志华，吴锋，闫翔宇.国内空间结构节点综述[J].建筑科学，2007，23（9）：93-97.

[3]聂建国，秦凯，肖岩.方钢管混凝土柱节点的试验研究及非线性有限元分析[J].工程力学，2006，23（11）：99-109.

[4]秦凯.方钢管混凝土柱与钢-混凝土组合梁连接节点的性能研究[D].北京：清华大学博士学位论文，2006.

[5]徐桂根.方钢管混凝土柱节点受力性能的试验研究与理论分析[D].北京：清华大学博士学位论文，2008.

[6]石文龙，李国强，肖勇，叶志明.半刚性连接梁柱组合节点低周反复荷载试验研究[J].建筑结构学报，2008，29（5）：57-66.

[7]周慧.空间组合节点抗震性能试验研究于理论分析[D].北京：清华大学硕士学位论文，2011.

[8]石启印，丁芳，轩元，李爱群.外包钢一混凝土组合梁与钢管混凝土柱连接节点试验研究[J].工程力学，2011，28（4）：109-115.