中美歐圓鋼管相貫節(jié)點設計方法比較

隋炳強，羅興隆，王發(fā)強，吳天河

(1.上海寶冶集團，上海201908;2.山東諸城長運路橋工程有限公司，山東諸城262200)

鋼管截面形狀及截面材料分布合理，與開口截面相比，具有各向等強，抗扭剛度大，穩(wěn)定承載能力高，端頭封閉后抗腐蝕性能好等優(yōu)點，對受風載的結(jié)構(gòu)，鋼管結(jié)構(gòu)所具有的光滑表面比用其它型剛制造的類似結(jié)構(gòu)所引起的風載荷要小得多。而且圓管截面的表面積僅為相類似的工字形截面的表面積的2/3，這樣會大大減少涂漆與防火保護的費用［1－2]。鋼管相貫節(jié)點中各桿件直接焊接，強度高，繞流條件好，截面封閉抗腐蝕性強，與大氣接觸表面小，易于防護。在清潔要求較高的場合，如化工或食品加工建筑，鋼管相貫節(jié)點結(jié)構(gòu)較容易除塵，且沒有突緣、連接部件及其它容易積聚灰塵的地方［3－4]?；谝陨蟽?yōu)點，相貫節(jié)點已廣泛應用于網(wǎng)架、網(wǎng)殼、塔架和海洋平臺等工程結(jié)構(gòu)中。

本文對中國鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范(GB500017－2003)［4]、美國鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范［5](ANSI/AISC 360－05)、美國焊接規(guī)范［6](AWS D1.1/1.1M 2008)和歐盟鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范［7](Eurocode 3:BS EN 1993－1－8:2005)中的圓管相貫節(jié)點部分進行分析比較，并結(jié)合工程實例提出了設計建議。

1 節(jié)點分類及其破壞模式

1.1 節(jié)點分類

1)平面單一節(jié)點:相貫節(jié)點由一個或多個直接焊接到連續(xù)主管上的支管組成，依據(jù)連接處負載的受力可以分為K型連接(包括N型)，Y型連接(包括T型)，或交叉形 (也就是X型)連接，而并不依賴于物理連接。

Y型節(jié)點(包括T型):當支管中的沖擊荷載(Prsinθ)由主管剪力平衡，且支管垂直于主管，則該節(jié)點將為T形連接，否則就是Y形連接。此種節(jié)點形式可看成是K型節(jié)點的特例。

在K型連接中，其中一個支管只有極少荷載或沒有荷載，這種連接就可以看作Y型連接。

如果在一個K(或N)型連接處的缺口處間隙變大，超過了偏心距極限允許值，K型連接應該被視為兩個獨立的Y型連接。

X型節(jié)點:當支管上垂直于弦桿橫截面的沖擊荷載(Pr sinθ)通過弦桿構(gòu)件傳遞，并且是通過兩端的支管構(gòu)件平衡，這種節(jié)點是X形節(jié)點。

K型節(jié)點:如果同一側(cè)兩根支管在垂直于弦桿橫截面方向的分力 (Psinθ)基本保持平衡(差額在20%以內(nèi))，則節(jié)點為K形節(jié)點。N形節(jié)點可以認為是K形節(jié)點的一種。

2)平面復合節(jié)點:當節(jié)點中部分支管為K型連接，以及部分為T型、Y型或者X型連接時，此種節(jié)點形式可認為是復合節(jié)點，具體的節(jié)點形式根據(jù)支管受力確定如圖1中的K－X型連接。

3)空間節(jié)點:平面節(jié)點支管和弦桿的中心線應該在同一個平面內(nèi)，當一個節(jié)點有兩個或以上的支管，且支管與弦桿的中心線不在同一個平面，這樣的節(jié)點稱為空間節(jié)點。

當一個節(jié)點由不在同一平面內(nèi)兩個T型支管組成時，該節(jié)點稱為TT型節(jié)點。

當一個節(jié)點由不在同一平面內(nèi)4個X型支管組成時，該節(jié)點稱為XX型節(jié)點。

當一個節(jié)點由不在同一平面內(nèi)4個K型支管組成時，該節(jié)點稱為KK型節(jié)點。

1.2 節(jié)點破壞模式

國外的新近研究成果表明，對于以主管平壁形成塑性鉸線的破壞模式，應考慮兩種極限狀態(tài)的驗算。建議取令主管表面的局部凹(凸)變形達主管寬度b的3%時的支管內(nèi)力為節(jié)點的極限承載力(承載力極限狀態(tài));取局部變形為1%b的支管內(nèi)力為節(jié)點正常使用極限狀態(tài)的控制力。至于由哪個極限狀態(tài)起控制作用，應視承載力極限狀態(tài)的承載力與正常使用極限狀態(tài)的控制力的比值K而定。若K值小于折算的總安全系數(shù)，則承載力極限狀態(tài)起控制作用，反之由正常使用極限狀態(tài)起控制作用。分析表明，當β＜0.6，b/t＞15時，一般由正常使用極限狀態(tài)局部變形(δ=0.01b)控制［4]。節(jié)點破壞模式主要有以下6種:

a)弦桿表面塑性失效。b)弦桿側(cè)壁破壞。c)弦桿在間隙處剪切破壞。d)弦桿表面沖剪失效。e)有效寬度失效(腹桿拉斷或焊縫破壞)。f)支管或主管局部失穩(wěn)。

2 節(jié)點極限承載力

2.1 節(jié)點承載力影響因素

影響節(jié)點極限承載力的因素有桿件尺寸(徑厚比)，支管與主管的夾角θ，主管軸向應力情況，以及支管受壓還是受拉等［7－8]。

為計算徑厚比對節(jié)點強度的影響，中美歐鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范均采用 γ0.2=(d/t)0.2來考慮。

試驗表明，支管軸心力垂直于主管方向的分力是造成節(jié)點破壞的主要因素。支管傾角θ越小，支管軸心力的垂直分力也越小，節(jié)點承載力就越高。中美歐規(guī)范中用1/sinθ來表達支管傾角θ對節(jié)點強度的影響，也就是說僅考慮支管軸力垂直分力作用。

圓管節(jié)點的破壞多由于節(jié)點處過大的局部變形而引起的。當主管受軸向壓應力時，將促使節(jié)點的局部變形變大，節(jié)點強度隨主管壓應力增大而降低，而當主管受軸向拉應力時，可減小節(jié)點局部變形，此時節(jié)點承載力比主管應力為0時約提高3% －4%。設主管的應力比為U，中美歐設計規(guī)范均采用 Ψn=Qf=kp=1－0.3U －0.3U2來考慮主管應力的影響［4－6]。

當支管承受壓力時，節(jié)點的破壞主要由主管壁的局部屈曲引起的，而當支管承受拉力時主要是強度破壞。

2.2 節(jié)點承載力

Y－型節(jié)點(包括T型):中國鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范(GB50017－2003)受壓支管在管節(jié)點處的承載力設計值為

受拉支管在管節(jié)點處的承載力設計值為

美國鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范(ANSI/AISC 360－05)計算時不分拉壓支管，取以下兩式中的最小值。

美國焊接規(guī)范(AWS D1.1/1.1M 2008)計算時同樣不分拉壓支管，取以下兩式中的最小值。

歐盟鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范(Eurocode 3:EN 1993－1－8:2005(E))計算時不分拉壓支管，取以下兩式中的最小值。

X－型節(jié)點:中國鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范(GB50017－2003)受壓支管在管節(jié)點處的承載力設汁值為

受拉支管在管節(jié)點處的承載力設計值為

美國鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范(ANSI/AISC 360－05)計算時不分拉壓支管，取以下兩式中的最小值。

美國焊接規(guī)范(AWS D1.1/1.1M 2008)計算時同樣不分拉壓支管，取以下三式中的最小值。

歐盟鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范(Eurocode 3:EN 1993－1－8:2005(E))計算時不分拉壓支管，取以下兩式中的最小值。

K－型節(jié)點:中國鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范(GB50017－2003)受壓支管在管節(jié)點處的承載力設計值為

受拉支管在管節(jié)點處的承載力設計值為

美國鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范(ANSI/AISC 360－05)計算時取以下兩式中的最小值。

弦桿塑性破壞

美國焊接規(guī)范(AWS D1.1/1.1M 2008)計算時同樣不分拉壓支管，取以下三式中的最小值。

歐盟鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范(Eurocode 3:EN 1993－1－8:2005(E))計算時不分拉壓支管，取以下兩式中的最小值。

從以上公式對比中可以看出，美國鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范(ANSI/AISC 360－05)和歐盟鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范Eurocode3表達形式基本一致。

3 算例

本文以科威特中央銀行一個簡單的K－型相貫節(jié)點為例，按中美歐設計規(guī)范進行計算并對其結(jié)果進行分析比較。

節(jié)點尺寸:主管直徑為219 mm，壁厚為12.5 mm，支管直徑為139 mm，壁厚為6 mm，支管1與主管的夾角為19°，支管2與主管的夾角為21°。

材料:鋼材的屈服強度為Fy=fy0=345 N/mm2，設計強度為 f=310 N/mm2，AWS規(guī)定屈服強度Fy0=300 N/mm2。

設計荷載:主管所受的軸壓力為480 kN，支管1所受軸壓力為120 kN，支管2所受軸拉力為109 kN。計算結(jié)果見表1。

表1 K型節(jié)點計算結(jié)果對比Tab.1 K －Joint calculation results

從表1中可以看出，中美鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范設計承載力較為接近，中國規(guī)范略低;歐盟鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范與美國焊接規(guī)范計算結(jié)果較接近，美國焊接規(guī)范設計承載力略小，綜合上述四部規(guī)范結(jié)果來看，美國焊接規(guī)范設計承載力最低，也最為保守。

4 結(jié)論

1)從設計思想和公式表達形式看，美國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范和歐盟鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范基本一致;從極限承載力來看，中美鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范計算結(jié)果較接近，美國焊接規(guī)范和歐盟鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范接近，其中美國焊接規(guī)范計算結(jié)果最為保守，設計承載力最低。

2)從極限承載力表達式看，主管直徑和壁厚是影響節(jié)點承載力的主要因素，在直徑一定的前提下，增大壁厚能使節(jié)點剛度增大，是提高節(jié)點承載力的最有效的方法之一。

3)節(jié)點的極限承載力還與支管和主管的直徑比β有關，隨著β的增大節(jié)點承載力也增大，因此增大支管與主管直徑的比值是提高節(jié)點承載力更有效的方法。

4)支管壁可以薄一些。因為其壁厚與節(jié)點承載力無關，在保證焊縫的基礎上，可以采用較薄的支管。

5)間隙連接無論是焊縫設計還是桿件的制作、定位及焊接均比搭接節(jié)點易于操作，建議盡可能采用間隙節(jié)點。

［1] 王曉怡.大尺寸K型相貫節(jié)點的研究［D] .南京:東南大學，2000.

［2] 朱慶科.K型圓鋼管相貫節(jié)點極限承載力有限元分析［D] .廣州:華南理工大學，2002.

［3] 王偉，陳以一.圓鋼管相貫節(jié)點局部剛度的參數(shù)公式［J] .同濟大學學報，2003，31(5):515－519.

［4] GB50017－2003，鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范［S] .

［5] AWS D1 .1/D1.1M:2008.Structural Welding Code Steel(21th Edition)［S] .

［6] ANSI/AISC 360 － 05，2008.Specification for Structural Steel Buildings［S] .

［7] Eurocode 3:Design of steel structures:Part 1－8:Design of joints(BS EN 1993－1－8:2005)［S] .

［8] Marshall，P.W.and Luyties，W.H.“Allowable stresses for fatigue design.”［C] .Proceedings of The 3rd International Conference on The Behavior of Offshore Structures.Boston:August 1982.

［9] Marshall，P.W.Designing tubular connections with AWS D1.1［S] .