本文摘要：摘要：裝配式節(jié)點通常采用單根或多根螺栓與構(gòu)件連接，往往具有一定的半剛性特性。但目前，由于對裝配式節(jié)點認(rèn)識不足，在裝配式網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計時，通常假定其節(jié)點連接為鉸接;然而，通過研究發(fā)現(xiàn)實際裝配式節(jié)點具有較好的半剛性性能;為適應(yīng)實際工程所研發(fā)
摘要：裝配式節(jié)點通常采用單根或多根螺栓與構(gòu)件連接，往往具有一定的半剛性特性。但目前，由于對裝配式節(jié)點認(rèn)識不足，在裝配式網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計時，通常假定其節(jié)點連接為鉸接;然而，通過研究發(fā)現(xiàn)實際裝配式節(jié)點具有較好的半剛性性能;為適應(yīng)實際工程所研發(fā)的新型裝配式半剛性節(jié)點具有剛度更大、更加高效等優(yōu)點，可應(yīng)用于更大跨度的單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中。半剛性節(jié)點網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)具有廣闊的應(yīng)用前景，針對半剛性節(jié)點及其網(wǎng)殼性能的研究逐漸成為建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的熱點研究課題之一。
該文綜述了國內(nèi)外半剛性節(jié)點及半剛性節(jié)點單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有研究成果以及尚需深入研究的主要問題。文獻(xiàn)分析表明，目前針對半剛性節(jié)點及半剛性節(jié)點網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)靜力性能的研究已取得一定的成果。然而，關(guān)于空間半剛性節(jié)點在復(fù)雜荷載作用下節(jié)點抗彎性能、空間半剛性節(jié)點耗能性能、適用于更大跨度的新型空間節(jié)點研發(fā)、半剛性節(jié)點網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)動力穩(wěn)定性等方面有必要進(jìn)行更多更深入的試驗和理論研究，以推動半剛性節(jié)點單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的實際工程應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：半剛性節(jié)點,抗彎性能,網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),靜力穩(wěn)定性,動力穩(wěn)定性
網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)以其結(jié)構(gòu)受力合理、造價經(jīng)濟(jì)、造型美觀多樣等優(yōu)點而在空間結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用[1]，多應(yīng)用于劇院劇場、展覽場館、體育場館等標(biāo)志性建筑。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及人們對建筑多樣化要求的提高，輕型結(jié)構(gòu)越來越受到建筑師的垂青，因此越來越多的空間結(jié)構(gòu)開始采用單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)“輕質(zhì)”“經(jīng)濟(jì)”“高強(qiáng)”和“透明”的建筑要求，滿足使用者日益提升的感官和功能需求。
節(jié)點作為單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵組成元素，其受力性能直接影響結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。目前應(yīng)用于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中的節(jié)點根據(jù)現(xiàn)場施工方式可以分為焊接式和裝配式，其中裝配式節(jié)點具有施工精度高、效率高等特點，符合新時期建筑綠色節(jié)能的要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。
而裝配式節(jié)點在力學(xué)性能上主要表現(xiàn)為半剛性，是一種介于鉸接與剛接之間的節(jié)點形式，因此在對采用了裝配式節(jié)點的空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計與分析時，應(yīng)考慮節(jié)點剛度對結(jié)構(gòu)的影響。目前，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對裝配式半剛性節(jié)點及其網(wǎng)殼的受力性能進(jìn)行了一系列的研究，通過多種研究方法得到了較為豐富的成果。本文對現(xiàn)有研究方法及成果進(jìn)行總結(jié)，提出進(jìn)一步研究亟需解決的問題。
1半剛性節(jié)點
1.1半剛性節(jié)點靜力性能
針對半剛性節(jié)點的靜力性能的研究主要集中于節(jié)點剛度、承載力、破壞模式等方面，國內(nèi)外學(xué)者逐漸開展了大量試驗研究、數(shù)值模擬及理論研究。首先，為獲得傳統(tǒng)裝配式半剛性節(jié)點的剛度潛力，國內(nèi)外學(xué)者逐漸開展了大量研究工作。目前空間結(jié)構(gòu)中常用的裝配式螺栓球節(jié)點、碗式節(jié)點和轂形節(jié)點都按理想鉸接設(shè)計，但實際上這些節(jié)點也具有一定轉(zhuǎn)動剛度。對其半剛性的研究始于1983年，See[2]和Fathelbab[3]對螺栓球節(jié)點進(jìn)行了彎矩荷載下的試驗研究，得到了該節(jié)點的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線及套筒松動對節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度的影響規(guī)律。
范峰等[4−5]進(jìn)一步開展了螺栓球節(jié)點壓彎聯(lián)合作用下的試驗研究，同時建立了考慮軸壓力及螺栓預(yù)緊力的半剛性節(jié)點精細(xì)化數(shù)值分析模型，得到了節(jié)點在壓彎荷載聯(lián)合作用下的節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度及極限承載力。Chenaghlou等[6-7]進(jìn)一步對螺栓球節(jié)點進(jìn)行了彎矩荷載和不同軸力荷載作用下試驗研究，研究表明軸力會降低螺栓球節(jié)點的極限承載力。
馬會環(huán)等[8]對其進(jìn)行了在彎矩作用和壓彎聯(lián)合作用下的試驗研究，并應(yīng)用ANSYS進(jìn)一步對碗式節(jié)點進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了螺栓直徑、墊片尺寸、螺栓中預(yù)緊力的大小以及壓彎應(yīng)力比等不同參數(shù)對碗式節(jié)點抗轉(zhuǎn)動性能的影響，擬合出了碗式節(jié)點彎矩-轉(zhuǎn)角曲線預(yù)測公式。
得到了節(jié)點的極限承載力和破壞模式。除了挖掘傳統(tǒng)節(jié)點的剛度潛力外，也有少數(shù)學(xué)者為了適應(yīng)更大跨度單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用，研發(fā)了剛度更大、更加高效的新型裝配式節(jié)點。而且，傳統(tǒng)半剛性節(jié)點多是用于連接圓鋼管桿件，而與圓鋼管桿件相比，具有強(qiáng)弱軸的矩形截面桿件或工字鋼截面等非圓截面桿件能夠為單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)提供更大的面外抗彎剛度，對于單層網(wǎng)殼而言是一種更好的選擇。
馬會環(huán)等[10-11]采用了ABAQUS軟件對柱板型半剛性節(jié)點進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得到了該節(jié)點在軸力、彎矩及二者聯(lián)合組用下的剛度、承載力及破壞模式;對齒式半剛性節(jié)點進(jìn)行了抗轉(zhuǎn)動性能試驗，同時建立了精細(xì)化三維有限元模型，得到了齒式節(jié)點在彎矩荷載作用下的力學(xué)性能，并采用組件法提出了齒式節(jié)點簡化力學(xué)模型，擬合了節(jié)點的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線。連接非圓截面桿件的半剛性節(jié)點在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中平面外與平面內(nèi)的剛度具有明顯的差別，因此在對連接此類桿件的半剛性節(jié)點研究中，也應(yīng)考慮節(jié)點繞不同軸轉(zhuǎn)動時的剛度差別。
文獻(xiàn)[12-13]對柱型半剛性節(jié)點進(jìn)行節(jié)點繞桿件強(qiáng)軸和弱軸的抗轉(zhuǎn)動性能的試驗及數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明柱型節(jié)點在平面內(nèi)與平面外均具有良好的抗轉(zhuǎn)動剛度及承載力，并將柱型節(jié)點彎矩-轉(zhuǎn)角曲線簡化為三折線模型，推到了其彎矩-轉(zhuǎn)角曲線的理論預(yù)測公式。
相比于鋼結(jié)構(gòu)，鋁合金具有自重輕、耐腐蝕性好、無磁、易加工和美觀等優(yōu)點[14]，鋁合金空間結(jié)構(gòu)也以其優(yōu)秀的表現(xiàn)力和適用性受到越來越多的關(guān)注與青睞。張竟樂等[15]應(yīng)用數(shù)值模擬等方法對板式節(jié)點進(jìn)行有限元分析，得到了截面凈高、截面寬度、蓋板厚度的參數(shù)對節(jié)點剛度的影響。Guo等[16]進(jìn)行了板式節(jié)點的試驗研究，得到了不同板厚下節(jié)點的破壞模式，同時得出隨著板厚的增加，節(jié)點的剛度增大。
馬會環(huán)等[17]在板式節(jié)點的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出柱板式鋁合金節(jié)點，考慮螺栓預(yù)緊力，螺栓安裝縫隙對柱板式節(jié)點進(jìn)行了數(shù)值建模，得到了柱板式節(jié)點分別在繞不同軸彎矩作用和扭矩作用下的彎矩-轉(zhuǎn)角和扭矩-轉(zhuǎn)角曲線，結(jié)果表明，相較于板式節(jié)點，柱板式節(jié)點在不同荷載作用下的抗轉(zhuǎn)動性能有顯著提高。以上研究工作的開展已經(jīng)證實了裝配式半剛性節(jié)點都具有一定的抗彎性能，具備較大的應(yīng)用潛力和較好的應(yīng)用前景。
1.2半剛性節(jié)點滯回性能
目前大量學(xué)者所開展的研究均是針對半剛性節(jié)點的靜力性能的研究，針對其耗能性能的研究十分有限。在文獻(xiàn)[10]中，通過建立BCP節(jié)點有限元模型，對其在彎剪作用下的滯回性能進(jìn)行了研究，同時考慮了軸力的影響，研究表明軸壓力對此節(jié)點的滯回性能影響不大，而軸拉力會使節(jié)點的極限承載力降低。
文獻(xiàn)[18]對齒式節(jié)點進(jìn)行了擬靜力試驗及數(shù)值模擬分析，得到了不同幾何參數(shù)對齒式節(jié)點滯回性能的影響規(guī)律，研究同時表明安裝縫隙會使節(jié)點產(chǎn)生滑移，降低節(jié)點滯回性能。任姍[19]對柱型節(jié)點的平面外及平面內(nèi)的滯回性能展開了數(shù)值模擬及試驗研究，考察了不同幾何參數(shù)、荷載條件對節(jié)點滯回曲線和破壞模式的影響規(guī)律，研究表明軸力對節(jié)點滯回性能影響顯著。文獻(xiàn)[20]開展了鋁合金板式節(jié)點擬靜力滯回性能試驗，得到了該節(jié)點在低周往復(fù)荷載下的破壞模式，且通過所得滯回曲線表明板式節(jié)點的滯回性能并不理想。
2半剛性節(jié)點網(wǎng)殼研究
2.1半剛性節(jié)點網(wǎng)殼靜力穩(wěn)定性研究
在網(wǎng)殼靜力穩(wěn)定性研究早期，還都是基于網(wǎng)殼節(jié)點為剛接的假定，這種假定基本適用于焊接式節(jié)點，對于裝配式半剛性節(jié)點網(wǎng)殼，由于其節(jié)點連接處允許桿件與節(jié)點之間的相對轉(zhuǎn)動，這種簡化不能真實反映網(wǎng)殼中節(jié)點實際受力情況。因此，近年來國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開始對半剛性節(jié)點網(wǎng)殼的受力性能展開了研究。國外對半剛性網(wǎng)殼穩(wěn)定性的研究較早，See[2]、Fathelbab[3]，Shibata等[21]對螺栓球半剛性節(jié)點體系及其網(wǎng)殼進(jìn)行了試驗研究，得出了節(jié)點剛度對網(wǎng)殼承載力的影響不容忽視。
Fujimoto等[22]和López等[23-24]分別對半剛性KT型節(jié)點及ORTZ節(jié)點單層網(wǎng)殼進(jìn)行了試驗和數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)殼高度對半剛性節(jié)點網(wǎng)殼的穩(wěn)定承載力有較大影響。Kato等[25]和Sohn等[26]也都討論了節(jié)點剛度對空間結(jié)構(gòu)極限承載力的重要影響，結(jié)果表明考慮節(jié)點剛度的網(wǎng)架網(wǎng)殼的計算模型更符合實際情況。
在國內(nèi)對半剛性節(jié)點網(wǎng)殼的研究中，文獻(xiàn)[27―29]基于桿件模型剛度矩陣的理論推導(dǎo)，初步分析了節(jié)點剛度對網(wǎng)殼受力性能的影響。范峰等[30-31]依據(jù)螺栓球節(jié)點的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線，應(yīng)用ANSYS軟件建立了半剛性節(jié)點單層球面網(wǎng)殼的數(shù)值分析模型，并考慮節(jié)點彎曲剛度、節(jié)點扭轉(zhuǎn)剛度、跨度和矢跨比、節(jié)點域、荷載形式、桿件截面類型、支承條件、初始缺陷等參數(shù)對網(wǎng)殼極限承載力的影響，對螺栓球節(jié)點的單層球面網(wǎng)殼進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，得出了網(wǎng)殼性能隨節(jié)點剛度、矢跨比、跨度等參數(shù)的變化規(guī)律，擬合出了無缺陷狀態(tài)下，半剛性球面網(wǎng)殼的極限承載力公式[32-33]，同時開展了螺栓球節(jié)點單層柱面網(wǎng)殼試驗研究[34]，得到其承載力介于剛接網(wǎng)殼與鉸接網(wǎng)殼之間。
曹正罡等[35]對螺栓球節(jié)點單層柱面網(wǎng)殼及球面網(wǎng)殼進(jìn)行了穩(wěn)定性能的研究，表明此類節(jié)點可以應(yīng)用在單層球面網(wǎng)殼中，但不宜在單層柱面網(wǎng)殼中采用�；谕胧焦�(jié)點力學(xué)性能，馬會環(huán)等[36]建立了考慮了節(jié)點半剛性的單層橢圓拋物面網(wǎng)殼有限元模型，擬合了不同參數(shù)下的碗式節(jié)點單層橢圓拋物面網(wǎng)殼的承載力公式。
范峰等[37]和Kitti等[38]得出了碗式節(jié)點的剛度及承載力可以滿足中小跨度的單層網(wǎng)殼的需求。文獻(xiàn)[39]通過數(shù)值模擬所得到了的插管式球節(jié)點(HB)節(jié)點的彎矩轉(zhuǎn)角曲線，并將其帶入到15m跨度的單層網(wǎng)殼模型中，對其進(jìn)行穩(wěn)定性分析，通過與剛接網(wǎng)殼進(jìn)行對比證明此節(jié)點可以應(yīng)用在一定跨度的網(wǎng)殼中。
文獻(xiàn)[40]提出新型T型截面半剛性節(jié)點，進(jìn)行了試驗與數(shù)值研究，得到了其不同參數(shù)下的抗彎性能，并根據(jù)所得彎矩轉(zhuǎn)角曲線建立了40m~80m跨度的網(wǎng)殼數(shù)值模型，結(jié)果表明此節(jié)點具有足夠的剛度。在鋁合金半剛性節(jié)點網(wǎng)殼方面，郭小農(nóng)等[41]將鋁合金板式節(jié)點剛度引入K6型單層網(wǎng)殼穩(wěn)定性分析中，并通過試驗[42]驗證了考慮節(jié)點非線性剛度的網(wǎng)殼整體數(shù)值模型，得到了網(wǎng)殼整體穩(wěn)定性隨矢跨比、環(huán)數(shù)、節(jié)點剛度等參數(shù)的變化規(guī)律，擬合了鋁合金板式節(jié)點網(wǎng)殼穩(wěn)定承載力計算式。
馬會環(huán)等[17]將柱板式節(jié)點繞強(qiáng)軸、弱軸和扭轉(zhuǎn)三個方向的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線引入到網(wǎng)殼桿件單元模型中，建立了半剛性節(jié)點工字型桿件橢圓拋物面網(wǎng)殼的數(shù)值分析模型，得到了節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度、節(jié)點扭轉(zhuǎn)剛度、跨度、矢跨比等參數(shù)對網(wǎng)殼承載力的影響規(guī)律。
3結(jié)論
目前，國內(nèi)外對半剛性節(jié)點的性能研究已經(jīng)取得了一定的成果，應(yīng)用數(shù)值模擬，試驗和理論分析三種方法得到了一些半剛性節(jié)點的抗彎性能及滯回性能，同時針對半剛性節(jié)點網(wǎng)殼靜動穩(wěn)定性研究已取得了一些成果，但仍存在下列不足：
(1)現(xiàn)有傳統(tǒng)的裝配式節(jié)點具有一定的轉(zhuǎn)動能力，在一定范圍內(nèi)仍然可以采用這類節(jié)點建造單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，相關(guān)研究可為修訂現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)提供技術(shù)依據(jù)，所研發(fā)的各類新型裝配式節(jié)點具有很好的轉(zhuǎn)動剛度性能，并可適用于多種空間結(jié)構(gòu)類型;新型裝配式半剛性節(jié)點的研發(fā)也為裝配式大跨度單層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新發(fā)展提供了多種可能性，從而為大跨空間結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新開辟了新路。
然而，大部分的試驗及數(shù)值模擬研究所針對的都是某一節(jié)點繞著自身強(qiáng)軸的彎曲性能，研究中的荷載工況也比較單一，多為單一彎矩或彎剪荷載聯(lián)合作用，針對實際工程節(jié)點中的復(fù)雜受力狀態(tài)、節(jié)點繞自身弱軸的彎曲性能和抗扭性能研究方面的空間節(jié)點研究還十分有限。另外，適用于更大跨度的新型空間節(jié)點研發(fā)和針對空間半剛性節(jié)點耗能性能的研究還尚處于起步階段。
(2)關(guān)于半剛性節(jié)點網(wǎng)殼靜力穩(wěn)定性研究方面，由于缺乏足夠的試驗支持，很多相關(guān)數(shù)值模擬結(jié)果得不到直接驗證;結(jié)構(gòu)整體模型分析中所采用的多為圓鋼管桿件，分析中也并未關(guān)注桿件自身的失穩(wěn)特征與半剛性節(jié)點網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的耦合作用問題;軸力對節(jié)點剛度的影響和結(jié)構(gòu)中節(jié)點剛度的不均勻分布影響在整體結(jié)構(gòu)分析中尚未考慮。
(3)對半剛性節(jié)點網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)動力穩(wěn)定性研究成果主要集中于：①考慮節(jié)點靜力剛度的凱威特球面網(wǎng)殼的自振特性分析;②強(qiáng)震作用下，節(jié)點初始剛度變化對單層柱面網(wǎng)殼節(jié)點響應(yīng)與桿件內(nèi)力的影響。受研究進(jìn)度所限，這些研究成果中所采用的均是節(jié)點的靜力剛度模型，因此不能反映出節(jié)點的實際耗能性能對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)和失效機(jī)理的影響。
建筑方向論文范文閱讀：綠色建筑論文裝配式建筑設(shè)計策略
摘要：20世紀(jì)有人提出裝配式建筑設(shè)計，發(fā)展至60年代裝配式建筑出現(xiàn)。于是在許多國家開始進(jìn)行嘗試。隨著時代的進(jìn)步，技術(shù)的發(fā)展，建造房屋也可以機(jī)械化生產(chǎn)，成批成套地生產(chǎn)制造。裝配式建筑只要將所需構(gòu)件運到工地進(jìn)行拼裝即可，具有成本低、效率高等特點。
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