钢管节点文献综述.doc

文献综述
1.1 钢管桁架节点静力性能
1.1.1 节点极限承载力研究
最早的钢管结构研究是1948年由前西德实施的钢管相贯节点极限承载力试验研究[1]，从20世纪60年代起，鹫尾健三、黑羽启明[2]、金谷弘[3]等对K、T、X形节点进行了比较系统的试验研究和T、X形钢管相贯节点承载力计算方法研究，并据此提出K形钢管相贯节点承载力计算公式的基本形式。
1969年10月美国石油协会（API）颁布的第一个有关海洋平台的建议（API-PR-2A）就采用了此项成果[4,5]。但是这主要是基于冲剪应力概念的研究成果，不能适当的反映节点的实际破坏模式。
1970年，英国Sheffield大学的Easttwood与Wood提出了采用容许应力法设计钢管相贯节点承载力的设计方法，后被加拿大钢结构协会出版的《钢结构极限状态设计手册》（CISC1971）采用；1972年，美国焊接协会将钢管结构设计纳入了它的焊接结构设计规范中（AWS D1.1）[6,7]。
20世纪70年代末80年代初国际管结构发展与研究委员会（CIDECT）开始大量的研究工作，并将其研究成果推广[8]。1981年，加拿大钢结构协会出版的《钢结构极限状态设计手册》第二版中，将原来的容许应力法改为极限状态设计法[9]，并根据Packer J A与Haleem A S（1981）[10]提出的极限状态法进行钢管节点承载力计算公式，对《钢结构极限状态设计手册》进行了补充。同期国际焊接协会（IIW）于1981年首次出版并于1989年再版了钢管焊接桁架连接设计方法[11]。
1981年，美国学者Yura[12]撰文对80年代以前的管节点承载力研究作了总结并给出了改进的节点强度公式。因此他从节点试验数据库中剔除了不符要求的数据，建立了一个由137个试验结果组成的可靠数据库。在此基础上，综述了轴向加载的T、Y、TT和K形节点以及弯矩加载的T形节点的性能。
1982年，Wardenier J [13]在其著作中对国际焊接协会（IIW）有关钢管节点设计进行了归纳，并对当时有关钢管相贯节点的研究工作进行了总结。1984年，Makino Y在其博士论文中结合试验对钢管相贯节点的极限承载力和变形能力进行了系统研究[14]。
1984年，Kurobane Y指出，由于节点形状的复杂性，完全采用理论分析方法研究节点极限承载力是不切实际的。他采用一种经试验结果校正后的环模型，通过回归分析，整理73个X形节点、50个T形节点、398个K形节点试验结果，提出了能够覆盖弦杆直径60～510mm、钢材屈服点270～500MPa的圆钢管平面节点强度计算公式，并考虑容差控制、材料选择和结构尺寸来决定设计公式中的抗力系数，成为日本建筑学会、欧洲管节点委员会制定设计指南的依据[15]。
随着钢管结构应用的日益发展，越来越多的学者着手于空间节点的研究。1974年Akiyama[16]首次进行了空间管节点的模型试验，测试了4个KK型管节点在轴力作用下的承载力。
1984年，Makino Y发表了20个空间KK形节点试验结果，指出两受压腹杆与弦杆表面相交时其间距不同将导致不同的失效模式，这是平面K形节点所没有的特性[14,17,18]。该研究的内容包括管节点局部应力应变分析、破坏机理研究、弹塑性分析、设计参数研究、作用荷载和支管约束的影响等方面。1987年至1989年，Mitsi和Nakacho等分别开始研究空间TT形节点。1990年，Scola J等[19]进行了空间TT形节点的试验，肯定了前述空间KK形节点的失效模式在空间TT形节点中同样存在。1992年，Cofer以及1995年Jihads等基于有限元法，采用壳单元、块体单元和过渡单元建立了焊接管节点模型[9]。Fessler.H[69]提出一种研究钢管节点极限承载力的简化试验方法，即采用铸造压模法制作铅模型代替钢模型进行试验，无量纲化后的试验结果与钢模型吻合较好，为今后进行大量的试验研究提供了可能。
1994年，Paul J C [18]提出对于空间节点来说建立完全独立的承载力公式是不切实际的，而应与平面节点公式建立联系。他根据58个空间节点的试验结果，使用多元回归方法得出空间TT形和空间KK形节点的极限承载力计算公式。1996年，Dexter E M等[20]利用有限元进行了轴向受载下的K形搭接节点受力性能研究。同年，Makino和Kurobane[21]在广泛收集世界各国钢管节点试验数据的基础上建立了一个包括1544个实测结果和786个有限元分析结果的圆钢管相贯节点数据库，节点包括T、Y、X、K、TT、XX、TX、KK共8种类型，可供研究者自由下载的钢管相贯节点试验及有限元分析，最新的数据更新于1998年。1997年，Yoshiaki Kurobane和Kenshi Ochi[22]对现行国际上的圆钢管K形节点设计方法的异同点进行了比较分析。1998年，Bauer试验研究了空间三角形桁架受拉弦杆处TT、KK节点，研究了间隙尺寸、支杆弦杆宽度比、弦杆宽厚比和两支杆所在平面间夹角等参数，并建立了塑性铰线分析模型。同年，Kang C．T、Moffat D．G和Mistry J对空间TT型节点在主管受压状态下的承载力性能进行了试验和理论分析的研究工作[23]。
我国的相贯节点的试验工作起步于20世纪八十年代。1986 年，陈继祖、陆化普[24]在剖析各国规范极限承载力公式及影响其强度的主要因素基础上，根据我国钢结构设计规范设计原则，并考虑国产材质和节点焊接条件，提出了建议的设计承载力公式。1987 年，杨国贤、陈廷国[25]用等效单环法给出拉载作用下 T 型节点的承载力公式，该公式能根据不同变形要求求得管节点的静承载力，与实验结果较为吻合。1989 年，云大真等[26]采用拟协调元方法，直接在圆柱坐标上构造一拟协调三角形圆柱壳单元，采用多重子结构法计算，对T型管节点进行应力分析，并与试验结果对比得到一些有益的启示。1991 年，陈铁云等[27]研究了用塑性节点法分析管节点，认为采用离散塑性流动定律假设进行弹塑性有限元分析是一种行之有效和切实可行的方法。1995 年，傅振岐[28] 采用有限单元法分析了K型间隙矩形管桁架节点的极限承载力。1996年，同济大学与上海建筑设计研究院合作，对弦杆直径在120～500mm范围内的圆管平面K形节点进行了极限承载力试验[29,30]。1999年对空间KK、KT、KX节点分别进行承载力试验[31,32]，试件尺寸为324×12．5～457×20mm，并以圆管节点数据库为基础，综合自己的试验成果，提出了空间圆管节点静力强度计算公式的建议值[33]；2000年，与广州设计院合作进行了方钢管平面K形节点静力试验，弦杆尺寸为250×14mm[34]；同年又与西南建筑设计研究院合作。对168×12～351×16mm的圆钢管平面X、KK形节点进行不同轴力、弯矩比下的刚度和承载力试验[35]。
2002年，朱庆科[36]对平面K型节点的极限承载力进行了有限元研究，分析了平面K形圆管节点的应力和塑性区分布规律、节点变形等重要受力性能，考察了影响管节点承载力的主要参数以及这些参数与承载力的关系曲线，将有限元计算结果与试验数据和我国规范进行比较，指出了现有规范的不足之处，为我国规范的进一步修订提出了建议。刘建平[37]利用通用有限元程序对T形、Y形、K形方主管、圆支管杂交型焊接节点强度进行了数值分析，分析中考虑材料和几何非线性。研究了管节点的受力性能和塑性区扩展过程，揭示了这种新型节点的破坏机理和破坏模式，得到节点的极限承载力。
2004年，哈尔滨建筑大学武振宇等[38-41]先后进行了等宽、不等宽T形方圆汇交节点和K型、KK型方管节点的极限承载力试验，但杆件均为冷弯成型的薄壁截面。湖南大学舒兴平[42]对6个KK型圆钢管相贯节点进行了足尺试验研究，指出对于主管强、支管弱的节点，其破坏模式不属于主管过度塑性变形，因此承载力不能按规范公式计算。
2005年，喻东风[43]对空间 KT、KX 型圆管相贯节点（主管直径有 100mm 和 200mm 两种）承载力进行有限元分析，研究了该种管节点的受力性能、塑性区扩展过程，揭示了节点的破坏机理和破坏形式，获得了其极限承载力及其随节点几何参数的变化规律，提出 KX、KT 型相贯节点的承载力实用简化计算公式。
2007年，陈誉[44]采用ANSYS软件对平面和空间圆钢管搭接节点试件进行了非线性有限元分析。分析结果表明内加劲板对平面K型圆钢管搭接节点极限承载力可以起到很好的提高作用，但对空间KK型节点极限承载力提高并不明显。
2010年，王飞，王伟，陈以一[45]进行2组共4个空间复杂钢管节点的静载性能试验研究，试验结果得出两组节点不同加劲形式下的承载力极限状态，并根据试验得到的破坏模式给出节点设计的合理建议。
2011年，陈誉，唐梅菊[46]进行平面K形圆主管方支管节点的承载力试验研究，对5个空钢管节点和1个主管内灌混凝土节点的静力单调加载试验。试验结果表明：已有的计算公式都不能准确计算圆主管方支管节点的承载力；增加支管壁厚改变了节点的破坏模式并明显提高了节点承载力和延性。主管内灌注混凝土对延性并没有得到显著提高；圆主管方支管节点区域的变形主要源于受拉支管的局部变形。
1.1.2 节点疲劳性能（动力性能）
管节点疲劳一直是国际上十分关注的研究领域，许多定期的国际学术会议和大量的文献涉及这个领域，取得了很大的成就。两个国际性组织CIDECT(国际管结构发展与研究协会)和IIW(国际焊接协会)在管节点疲劳研究中起了重要的促进作用，根据研究成果，在不同阶段发表了一些纲领性的指导文献[47-50]。
现有的研究方法主要有冲剪法、破坏准则法、静力强度法、分类法、热点应力法[48-51]由于热点应力法只要依据节点的热点应力幅，由个别S-N曲线即可获得各自的疲劳寿命，因此已成为当前管节点疲劳性能最根本的分析方法。
近年来随着工程中钢管结构的广泛应用，更多形式的钢管节点的疲劳问题引起国内外专家学者的重视。
1977年，Fessler.H与Stanley采用光弹性法对T型管节点疲劳进行了试验研究。[52]
1985年，Fung[53]通过建立全比例的钢模型，通过实测节点相贯线上SCF(应力集中系数)结果与有限元方法结果比较，来证实有限元模型方法的有效性，并研究了轴力、平面弯矩对加强板T节点的SCF的影响。
1996年，Chang与Dover[54]通过对330个X与DT型管节点进行了参数分析，并得到了相关的SCF参数方程。Morgan与Lee[55]提出了支管在平衡轴向力和平面内弯曲作用下的K型节点的SCF参数公式，提出了主管和支管内表面的应力集中系数方程。
1999年，M．M．K．Lee[56]对于单面角焊缝的圆钢管节点T型、Y型、K型、X型做了有限元研究，并得出了关于这些节点一系列SCF计算公式；2000年，Gandhi P等[57]对于圆钢管内加劲环T和Y型节点做了静力和疲劳试验研究；2002年，T．C．Fung等[58]对带盖板的T型圆钢管节点在支管受轴拉、轴压、平面内弯矩、平面外弯矩4种工况下的应力分布试验和有限元数值研究，得出了该种节点在4种工况下SCF计算公式；从2002年开始，同济大学与澳大利亚的Monash大学在管结构疲劳领域启动了多个合作项目，已经完成了壁厚小于4mm的薄壁钢管T型节点疲劳性能的研究[59]和主管为方管、支管为圆管的T型、Y型、X型节点疲劳性能研究[60]。
2004年，杨铮，金伟良[61]通过有限元对一组主、支管管径达到达lm以上的Y型节点进行了应力集中分析。分析表明：在轴力、平面内与平面外弯矩作用下，轴力作用下的应力集中现象最显著。
2006年，邵永波[62]通过数值模拟和试验测试研究了K型节点在承受不同类型载荷作用下沿着焊缝周围应力集中系数的分布情况，文中提出的数值模拟方法与试验结果相吻合。
2007年，邓合霞，张益公，石永敏等[63]将有限元计算得到的K型管节点SCF与KAW、DNV与EFT提供的计算方法上比较，认为有限元计算结果相对准确但是计算量较大；对于特殊的节点应该采用有限元分析；分析普通的K型管节点SCF时，可用EFT计算轴力作用下的节点SCF，用DNV法计算受弯情况。
2009年，杨群，谭庆辉，刘小兵[64]通过有限元方法对空间圆管DTY、XYT、DTDY节点进行了主支管管径比、主支管夹角两几何参数对节点应力集中系数影响的分析。分析结果表明，空间管节点的应力集中较平面节点明显很多，其中DTY节点的最大应力集中系数达到25，三种空间管节点的应力集中系数最小值也在6.0以上。在轴向力作用下，节点的应力集中程度比轴力与弯矩共同作用下的应力集中程度要大两倍以上。空间管节点的应力集中程度并不随主管直径或是支、主管夹角的增加而一致增加。
1.1.3 节点非刚性性能
最早关于相贯节点刚度的文献是1961年金谷弘对节点局部变形的试验研究[3]。1981年，Mang[65]提出一种评价T形方管节点刚度的方法，并给出了计算公式。
1985年，Efthymiou M[66]通过半解析数值计算得出了T形，Y形节点抗弯刚度公式：

1986年，Fessler.H[67]运用将K型节点的刚度分析简化为T、Y型节点的刚度分析方法，在27个环氧树脂单腹杆节点模型试验的基础上提出了空间多腹杆节点的刚度经验公式。

但按这种方法求得的节点刚度是实际刚度的下界。
1997年，DNV规程对T形节点给出了抗弯刚度计算公式[68]。

1993年，Van der Vegte在其博士论文[70]中提出了面内、面外公式抗弯承载力公式的几何系数。但由于Van der Vegte 公式与试验结果差别较大，且计算公式繁琐，不便于工程应用。
早期对于相贯节点刚度研究的主要手段是半解析数值模拟和非钢模型试验，缺乏具有工程尺度的钢模型节点的试验验证和系统深入的有限元分析。90年代以后，随着计算力学与计算技术的发展，半解析数值方法逐渐替代试验成为相贯节点刚度研究的主要手段。Ueda[71-72]基于弹性和理想弹塑性荷载-位移关系采用杆系线单元组成的简单模型来近似模拟管节点，并在修正与改进精度的同时保持了数值计算的简化性。Ure[73]对腹杆端部压扁(flattened—end)的相贯节点在实际应用与结构上的优点做了探讨，并单独以弦杆为对象采用有限元方法计算得到了该类节点的刚度系数公式，继而与传统节点刚度系数公式做了对比。Hyde[74]实体有限元方法分析了24种工况的TY形节点在轴力作用下的端部荷载-位移曲线，考虑了不同加载路径的影响。Leen[75]基于上述分析结果，根据能量原理提出了一个预测管节点端部弹塑性荷载-位移响应的方法，并可考虑弯矩与轴力共同作用的情况。日本的小川厚治对圆管节点刚度做过分析，并以圆钢管塔架的杆件计算长度取为min（），其中和中包含了节点刚度的影响，即因子，具体公式如下：
，

国内方面，陈伯真等[76]对海洋平台钢管节点的局部柔度进行了分析研究。1992年，谢孟等[77]利用有限元方法，通过函数逼近方法拟合，提出了T型、正交X型管节点局部柔度的参数公式。胡毓仁[78]提出在海洋平台导管架有限元分析中应用等效单元代替管节点的局部柔度，在此基础上推导出T型、Y型和K型节点局部柔度的等效刚度矩阵。
1993年，陈铁云等[79,80]对空间DT节点进行了参数化的应力分析，对多支管相贯节点的局部柔度进行了分析研究采用半解析方法计算节点局部柔度系数矩阵。2001年，陈以一，王伟，赵宪忠等[35]以成都双流机场钢管结构工程为背景，实施了相贯节点抗弯刚度和承载力的试验研究。根据对多种几何参数、荷载工况组合下的节点抗弯刚度的测试，表明在一定条件下，相贯节点可以作为全刚接抗弯节点看待，节点抗弯强度能保证杆件承载能力的充分发挥。
2002年，武振宇[81]对支管轴向荷载下不等宽T型方管节点的轴向刚度进行了理论研究，提出按四根悬臂杆件来等效主管的翼缘板对支管的约束作用，从而模拟塑性铰线模型。
2005年，王伟[82,83]对9个T、Y型节点和25个间隙型K型节点进行了有限元分析，回归得到T、Y型节点的刚度系数和K型节点柔度系数的计算公式，并考察了节点刚度对圆钢管格构梁整体效应的影响，分析时没有考虑杆件内力对节点刚度的影响。
2007年，雷永富[84]结合上海交通大学体育馆相贯节点刚度试验的工程实例，运用ANSYS软件对节点进行刚度分析，有限元分析结果与试验结果较一致。
2010年，宋安良等[85]采用ANSYS非线性有限元软件，对相贯节点的非刚性性能进行分析，分析结构表明，支管与主管的直径比、支管与主管的厚度比对圆钢管相贯节点的转动刚度有显著的影响。