６０ 低温建筑技术 ２０１０年第１２期（总第１５０娉】） 焊接球节点的承载力试验研究 李文强’，朱兆国 ，余江滔。 （１．青岛国信体育产业发展有限公司． 山东青岛２６６０００１；２．同济大学结构工程与防灾研究所． 上海２０００９２） 【摘要】 为了对游泳跳水馆网架结构焊接球节点承载安全性做出评价，本文对结构关键节点进行了试验 研究。通过对节点的试验研究和分析，得到了加载过程中节点的变形值与荷载的关系，并对该类节点的安全性和 富余度进行评价，为该类复杂节点的设计提供了参考。最后，比较分析了我国现行各种规范计算值、设计内力和 试验值之问的关系，对规范推荐的承载力计算公式进行了建议。 【关键词】 焊接球节点；极限承载力；足尺试验；富余度系数 【中图分类号】ＴＵ３５６ 【文献标识码】 Ｂ 【文章编号】 １００１—６８６４《２０１０）１２—００６０—０３ ０引言 新编的《空间网格结构技术规程》 修订稿中提 网架结构中，焊接球节点具有构造简单，连接方 出，焊接空心球受拉与受压承载力设计值计算公式与 便，不产生节点偏心等优点，在我国得到了广泛的应 网壳规程中的原有承载力设计值计算公式相比有两 用 。针对某游泳跳水馆网架结构的关键节点，通过 个凋整：①系数总体乘０．９，以与网架规程的计算相适 试验研究与分析，研究这类节点的承载能力，既为实际 应；②对于空心球球径大于５００ｒａｍ时再乘０．９的大直 工程的可靠设计提供指南，又为这类复杂节点力学性 径空心球承载力调整系数。 能的深人提供参考意义 。 试验研究和分析的主要目的在于：①模拟球节点 我国现行的ＪＧＪ７—９１《网架结构设计与施工规 的单轴拉（压）状态进行静载试验，记录、观察钢球节 程》…中给出了焊接空心球节点（球径１２０～５００ｒａｍ） 点在设计荷载作用下的应力、应变以及变形等参数的 承载力设计值的计算公式，即： ２变化，确定设计荷载下节点的富余度系数，并对节点的 ｒ，ｔ２ Ⅳ ：叼 （４００ｔｄ一１３．３ ） （１） 总体安全性做出评价；②了解节点达到屈服或破坏荷 上， Ｎ ≤０．５５叼 ｔｄ￣－ｆ （２） 载时的变形或破坏模式，确定节点的极限承载力，对节 式中，，ｖｒ和，ｖ 分别为受拉和受压承载力设计值。 点力学性能做出评价；③通过试验数据与我国现行规 ＪＧＪ６１—２００３（（网壳结构技术规程》 中给出了焊 范对球节点承载力的计算值相比较，对规范推荐的承 接空心球节点（球径１２０～９００ｒａｍ）节点承载力设计值 载力计算公式进行了建议。 的计算公式，即： １试验概述 ，， １．１ 试验对象 ＮＲ＝（０．３２＋０．６ ），７ｄ７ｒ￡ｄｆ （３） 工， 试验设计了４组１２个试件，每组主要变化参数是 我国现行规范中加劲承载力提高系数受压空心 球径、钢径及壁厚，各组球节点的详细几何参数以及球 球均采用１．４，受拉空心球均采用１．１。 体钢材单向拉伸试验力学性能指标如表ｌ所示。 表ｌ 试验球节点尺寸及钢材力学指标 １．２试验加载装置及测试装置 能均匀受力。 试件的设计原则如下： （２）受拉钢球节点的两端部设置端钢板，端钢 （１）受压钢球节点的端部设置圆钢板，使钢管 板上垂直焊接开孔钢板，作为轴拉力的装置。 李文强等：焊接球节点的承载力试验研究 ６ｌ （３） 制作箱形钢梁两根，钢梁端部垂直焊接开 孑Ｌ钢板，作为轴拉力的装置。 （４） 钢梁与球节点间通过铬钢轴承连接。 为了解在试验荷载作用下钢球及钢管的实际内 力，在受压和受拉节点的钢球和钢管上布置单向及三 相应变片。 拉钢球节点试件没有出现明显的整体变形和局部缩 颈，对称位置上的受力和变形呈现较好的对称性。 ２．２受压球节点试验结果 由试验结果可知，受压球节点在荷载初始阶段，球 节点的钢管部分的变形很小，荷载一变形关系保持直 线，钢管部分处于线弹性阶段。此时，球节点的球身变 形比钢管小得多，如表４所示，说明弹性状态下，球身 本试验分别采用２００００ｋＮ液压伺服压力机和ＹＱ 一４００油压千斤顶对球节点进行轴向拉、压试验，利用 的刚度要远大于钢管，可以认为球身的承载力富余量 较大。随着荷载继续增加，当荷载超过某一个值后，钢 ＤＨ３１８５数据采集系统进行试验数据采集。试验主要 测试内容为各加载荷载作用下钢球、钢管的应变和位 移，分别采用ＢＦ一１２０—２Ａ电阻应变计和ＹＨＤ一２００ 位移传感器（最小分度为０．００５ｍｍ）进行测量。为获 得球节点的薄弱部位和应力较集中区域，在球体表面 粘贴多个三向应变花进行复杂应力的测量。由于球节 点外形对称，加载方向为单轴，应变的测量主要集中在 球节点的１／８区域，其它区域设置少量的校核测点，每 个球节点布置８个位移计 。试验过程如图１所示。 （ａ）受拉装置 （ｂ）受压装置 图１受拉、受压试验加载装置 ２试验结果及对比分析 ２．１ 受拉球节点试验结果 受拉球节点在荷载初始阶段，球节点的钢管以及 球身的变形均很小，荷载一变形关系保持直线，此时球 节点处于线弹性阶段。当荷载大于某一个值时，球节 点的球身变形急速加大，荷载一位移曲线变得陡峭，说 明球身刚度下降，进行了不可恢复的塑性变形阶段。 而钢管变形曲线基本保持初始的斜率，说明钢管的钢 材未达到屈服强度。这说明在弹性状态下，钢管的抗 拉刚度要大于球身，可以认为钢管的承载力富余量较 大。随着荷载继续增加，球身和钢管的变形速率急速 增加，曲线斜率增幅明显，此时整体球节点已经进人了 塑性状态。从试验安全性考虑，当试件表现出变形急 速增大的现象时，停止加载，此时的荷载即为球节点的 承载力值。 加载到设计荷载时，钢球节点除钢球与钢管相接 处极少测点进人塑性阶段外，球体其他区域及加劲肋 均处于弹性阶段。加载到最大荷载时，钢球节点圆管 以及钢管与球体相接部分基本进入塑性阶段，钢球体 上处于弹性阶段的区域主要位于加劲肋和加劲肋附 近以及接近球体纬线的区域。在整个加载过程中，受 管的轴压刚度逐渐减少，体现为变形速率逐渐增大，说 明钢管已经进入塑性发展的阶段。 球节点进人了塑性发展的阶段一段时间后，球身 以及钢管的变形迅速发展。试验中可以间断地听到噼 吧的响声，可以判断为球节点焊缝的局部断裂。继续 加载，球节点组的试件都有荷载无法明显增加而变形 不断增大的现象。此时，可以判断该组球节点达到极 限荷载。 表２ ８００球节点的球身、钢管变形对比 试验状态／ｋＮ ０ ３００ ６００ ９００ １０５０ １２００ １５００ １８００ １９００ 钢管变形×１０。。／ｍｍ ０．０２ ０．０５ ０．３ ０．６ ０．８ １．１ １．９ ７．１ ｌ４．７ 球身变形×１０～／ｍｍ ０．０５ ０．０３ ０．４ ０．７ ０．９ １．４ ２．７ ｌ７．７ ３２．３ 加载到设计荷载时，受压钢球节点钢球与钢管相 接处较多测点进入塑性阶段，球体其他区域及加劲肋 均处于弹性阶段。加载到最大荷载时，受压钢球节点 钢管以及钢管与球体相接部分基本进入塑性阶段，钢 球体上处于弹性阶段的区域主要位于加劲肋和加劲 肋附近以及接近球体纬线的区域。受压钢球节点试件 钢球与钢管相接处出现明显变形，整个钢管向钢球体 挤入，球体相接处钢管发生挤压变形并外凸。 ２．３对比分析 表４ 球节点试验数据与设计内力比较 ６２ 低温建筑技术 ２０１０年第１２期（总第１５０期） 表４列出了球节点试验承载力值与设计值的比 较，８００ｒａｍ直径球节点的极限承载力为１２０００ｋＮ，构件 的承载力检验系数（即试件的承载力检验荷载实测值 处于弹性阶段；而在试验最大加载下，出现了节点域的 大量塑性区和节点钢管的全截面屈服。受压球节点破 坏时，钢管向球体挤入，球体相接处钢管发生挤压变形 并外凸；受拉球节点在整个加载过程中，没有出现明显 的整体变形和局部缩颈，对称位置上的受力和变形呈 现较好的对称性。 与承载力检验荷载设计值的比值）为２．０１；７５０ｍｍ直 径球节点的极限承载力不小于７０００ｋＮ，构件的承载力 检验系数不小于２．２７；６５０ｍｍ直径球节点的极限承载 力不小于６０００ｋＮ，构件的承载力检验系数不小于 ２．７０；４００ｍｍ直径球节点的极限承载力为１９００ｋＮ，构 （３） 试验结果对比表明，《网架规程》不适合大 直径球节点的承载力计算，而《网壳规程》计算大球径 节点时，检验系数偏小，偏于不安全。《网格规程》在 件的承载力检验系数为１．５４。 表５列出本文对不同直径焊接球节点承载力的试 验值与我国现行的三个规程值进行比较。在杆件受拉 时《网架规程》与《网壳规程》的计算结果相近，而杆件 受压时两者的计算结果相差较大。ＪＧＪ７８—９１《网架结 对现行两个规范承载力进行修正后，其检验系数基本 符合规定的１．６的要求。 （４）本文的试验研究和分析结果，可以为类似 的带加劲肋焊接空心球节点的设计和研究提供参考。 构工程质量检验评定标准》Ｆ６］指出，从经济性和安全 性角度考虑，节点的实际承载力与设计值的比值宜为 １．６。依据该评定标准，当球径较大时，《网架规程》… 计算的检验系数偏大，结果偏于保守，而《网壳规 程》 检验系数偏小，偏于不安全。且《网架规程》受 压承载力计算公式没有考虑钢材的材性对承载力的 影响，因此《网架规程》不适合大直径球节点的承载力 计算。《网格规程》 在对现行两个规范承载力进行 参考文献 ［１］ＪＧＪ ７—９１，网架结构设计与施 规程［ｓ］． ［２］ＪＧＪ ６１—２００３，网壳结构技术规程［Ｓ］． ［３］ＪＧＪ７—２０１０，空问网格结构技术规程（报批稿）［ｓ］． ［４］ 熊ｌｆ什树，邓娟，刘琼，陈海忠．大直径焊接空心球节点足尺试验 研究陪［Ｊ］．华中科技大学学报，２００６，２３（１）：ｌ９—２２． ［５］ 林成乐，余江滔，李文强．带加劲肋焊接空心球节点足尺试验 研究［Ｊ］．建筑技术，２０１０，４１（２）：１５７—１６１． ［６］ＪＧＪ７８—９１，网架结构工程质量检验评定标准［ｓ］． ［７】 郝成新，朱丹，赵基达．ｊＥ京Ａ３８０机库焊接空心球节点承载力 试验研究［Ｊ］．建筑结构，２００９，３９：（９）３２． 修正后，其检验系数基本符合规定的１．６的要求，计算 结果既经济又较安全。 ３结语 （１）对于大跨度空间网架结构开展关键节点的 试验研究是十分必要的，试验结果表明，试验节点都能 很好的满足设计承载力要求，且破坏模式都与预想的 结果相同。 ［收稿日期］２０１０—０７—２６ ［作者简介］李文强（１９７６一），男，辽宁盖州人，工程师，研究 方向：钢结构设计与施工。 （２） 球节点在设计荷载作用下，整个构件几乎
