第一章 半剛性節(jié)點網殼結構
　　1.1 網殼結構
　　近些年來，隨著大跨度、大空間建筑的快速發(fā)展，人們對建筑結構的美觀和跨度提出了更高的要求，進一步促進了空間網格結構的發(fā)展�？臻g網格結構分為兩種形式，平板形式稱為網架結構，曲面形式稱為網殼結構。其中網殼結構的受力特點與薄殼結構相似，二者均以“薄膜”作用為主要受力特征。近些年來，由于工業(yè)生產及體育文化事業(yè)的快速發(fā)展，人們對建筑結構的美觀及跨度提出了更高的要求，這進一步促進了網殼結構的蓬勃發(fā)展，網殼結構也逐漸受到了建筑師和結構師的青睞，成為□□來在建筑工程中廣泛應用的一種空間結構形式 [1，□]。
　　網殼結構具有受力合理、重量輕、桿件單一、制作安裝方便、造型優(yōu)美等一系列特點，它可以覆蓋大跨空間，不同曲面的網殼可以提供各種新穎的建筑造型，給設計師以充分的創(chuàng)作自由，能夠滿足建筑多樣化的要求，因而常常被應用于國家或地區(qū)的標志性建筑 (如圖 1-1 所示)，這些建筑通常具有重要的政治經濟意義，并集中代表著一個國家建筑科學技術發(fā)展水平，所以網殼結構的理論研究與實踐一直是結構學科中*活躍的領域之一。近幾年，網殼結構在我國的飛速發(fā)展也取得了引人注目的成就，尤其是近三十年來，隨著建筑業(yè)的發(fā)展及科技水平的進步，網殼結構的工程實踐數(shù)量迅猛增長，被廣泛應用于體育館、游泳館、會展中心和機場航站樓等大型公共建筑中，如北京亞運會 (1990)、哈爾濱亞冬會 (1996)、上海八運會 (1997)、廣州九運會 (□001)、北京奧運會 (□008) 及上海世博會 (□010)中的許多大跨建筑。目前，我國經濟持續(xù)高速增長，基礎設施建設得到了大力發(fā)展，各地區(qū)對大跨度公共建筑的需求也在不斷增加，這是我國建筑業(yè)高科技領域面臨的巨大機遇和挑戰(zhàn)，與此同時，網殼結構作為大跨空間結構的主要形式之一，勢必得到更為廣泛的應用。
　　圖 1-1 標志性網殼結構
　　1.□ 半剛性節(jié)點
　　近代空間結構在世界工程領域所取得的巨大成功主要歸功于兩方面的發(fā)展：1 形式簡單并且適用于快速組裝的節(jié)點的發(fā)展 [3，4]；□ 能夠實現(xiàn)實際結構數(shù)值仿真分析的計算機軟件的快速發(fā)展�？臻g結構中常用節(jié)點主要有焊接球節(jié)點 [5] 和裝配式節(jié)點。在空間結構設計時，焊接球節(jié)點被簡化為剛接節(jié)點進行設計，以焊接球節(jié)點連接的網殼及網架均被作為剛接結構分析計算；而其他的裝配式節(jié)點則被簡化為鉸接節(jié)點進行設計，認為裝配式節(jié)點不具備轉動剛度，因此以裝配式節(jié)點連接的單層網殼在實際工程應用中受到了極大的限制。然而，實際上大多數(shù)的裝配式節(jié)點都具有有限的轉動剛度，能夠承受一定的彎矩，是介于剛接節(jié)點和鉸接節(jié)點之間的一種半剛性節(jié)點。相較于剛接節(jié)點和鉸接節(jié)點，半剛性節(jié)點具有以下優(yōu)點：1 與剛接節(jié)點相比，半剛性節(jié)點采用現(xiàn)場裝配式連接，避免了現(xiàn)場焊接施工，所有節(jié)點部件均可在工廠預制，很大程度地降低了現(xiàn)場施工的工作量并且有助于提高工程施工質量，可以有效降低現(xiàn)場施工費用；□ 與鉸接節(jié)點相比，半剛性節(jié)點具有一定的抗轉動剛度，可以提高網殼結構的整體穩(wěn)定性，使其應用范圍更加廣泛，特別適用于一定跨度的單層網殼結構。若采用一些新型半剛性節(jié)點，對單層網殼結構的工程應用，會起到極大的促進作用。
　　1.3 半剛性節(jié)點及其網殼結構研究歷程
　　由于我國大力提倡發(fā)展裝配式鋼結構建筑，裝配式半剛性節(jié)點逐漸在工程中得到普遍應用，同時學者們意識到在鋼結構簡化分析中有關鉸接或剛接的理想化假定并不合理 [6-9]，因此在不同建筑領域內的學者們逐漸開展了關于半剛性節(jié)點性能的研究，結構類型包括鋼框架 [10-1□]、大跨空間結構 [13，14]、檁條 [15]、貨架 [16]等。學者們開展了大量節(jié)點模型試驗 [17-19]，得到了不同半剛性節(jié)點的轉動剛度及其轉角–彎矩曲線，并將其簡化為理論計算模型 [□0，□1]，以此為基礎對半剛性節(jié)點結構的整體性能進行研究。
　　國內外關于半剛性節(jié)點及其網殼的研究始于節(jié)點靜力性能方面的研究，之后逐漸開展了關于半剛性網殼的靜力性能相關研究，得到了節(jié)點剛度對單層網殼靜力穩(wěn)定性能的影響規(guī)律。近來學者們逐漸開展了對半剛性節(jié)點及其網殼動力性能的研究，得到了半剛性節(jié)點的滯回曲線，并對節(jié)點性能對單層網殼動力性能的影響規(guī)律進行了探討。以下分別從半剛性節(jié)點和半剛性節(jié)點網殼兩個研究方面進行介紹。
　　1.3.1 半剛性節(jié)點性能研究
　　大跨空間結構半剛性節(jié)點靜力性能的研究始于 See[□□] 和 Fathelbab[□3]，他們對螺栓球節(jié)點 (如圖 1-□a 所示) 的抗彎性能進行了試驗研究，獲得了此節(jié)點在純彎作用下的轉角–彎矩曲線 (φ-M 曲線) 及各參數(shù)對節(jié)點初始轉動剛度的影響規(guī)律。隨之為了得到軸力對節(jié)點剛度的影響規(guī)律，學者們也開展了大量的研究。范峰等 [□4，□5] 開展了螺栓球節(jié)點在壓力與彎矩同時作用下的靜力試驗，并通過節(jié)點有限元模型得到了節(jié)點轉動剛度在壓力與彎矩聯(lián)合作用下的□化規(guī)律。Chenaghlou等 [□6，□7] 進行了不同拉彎及壓彎荷載下的螺栓球節(jié)點試驗，結果表明螺栓球節(jié)點的極限彎矩受軸力影響顯著。同時 El-Sheikh[□8]、Lee 等 [□9]、Swaddiwudhipong等 [30]、Ueki 等 [31]、Shibata 等 [3□]、López[33] 和 López 等 [34] 對不同螺栓球節(jié)點也開展了大量試驗研究，得到了此類節(jié)點在純彎作用下及彎矩與軸力聯(lián)合作用的轉角–彎矩曲線和剛度□化規(guī)律。馬會環(huán)等 [35] 對碗式節(jié)點進行了在軸力與彎矩共同作用下的靜力試驗，并采用有限元軟件對碗式節(jié)點 (如圖 1-□b 所示) 開展了參數(shù)分析，得到了不同構件參數(shù)及壓彎荷載等級下碗式節(jié)點抗彎性能，推導了碗式節(jié)點φ-M 曲線預測公式。單晨 [36] 對轂形節(jié)點 (如圖 1-□c 所示) 進行了數(shù)值分析，結果表明轂形節(jié)點在網殼平面內方向剛度及承載力很小，而在網殼平面外方向具有一定的轉動剛度，同時此節(jié)點抗壓性能優(yōu)于抗拉性能。除了對傳統(tǒng)節(jié)點抗彎能力的研究，少數(shù)學者研發(fā)了適用于更大跨度網殼、具有更大初始轉動剛度的新型半剛性節(jié)點。馬會環(huán)等 [37] 對柱板式節(jié)點 (如圖 1-3a 所示) 開展了數(shù)值參數(shù)分析，得到了其在軸力、彎矩及二者聯(lián)合作用下的初始轉動剛度、極限彎矩及破壞模式。文獻 [38] 對齒式節(jié)點 (如圖 1-3b 所示) 同時開展了試驗與數(shù)值研究，得到了該節(jié)點在純彎作用下的 φ-M 曲線，且將齒式節(jié)點簡化為彈簧模型，推導了齒式節(jié)點φ-M 曲線預測公式。文獻 [39，40] 對柱式節(jié)點 (如圖 1-3c 所示) 開展了靜力試驗及數(shù)值模擬研究，結果表明此節(jié)點具有良好的初始轉動剛度，并將其φ-M曲線簡化為三折線模型，擬合了柱式節(jié)點φ-M 曲線預測公式。學者們也逐漸開展了關于半剛性鋁合金節(jié)點與木節(jié)點性能的研究。文獻 [41] 提出了一種適用于自由曲面網殼的雙環(huán)節(jié)點，并通過試驗得到了該節(jié)點的靜力初始轉動剛度及破壞模式。張竟樂等 [4□]、Guo 等 [43] 通過節(jié)點試驗、有限元分析等方法得到了板式節(jié)點不同構件參數(shù)下的節(jié)點剛度、破壞模式的指標。馬會環(huán)等 [44] 提出剛度更大的鋁合金柱板式節(jié)點，建立了該節(jié)點有限元模型，結果表明，鋁合金柱板式節(jié)點在不同荷載作用下的抗彎性能較板式節(jié)點有顯著提高。關于半剛性木節(jié)點方面，孫鸞等 [45，46] 研究了木網殼結構半剛性裝配式植筋節(jié)點的力學性能，結果表明偏心距與軸力對該節(jié)點初始轉動影響顯著。周華樟等 [47] 總結了新型 Kiewitt6 型木網殼鋼夾板節(jié)點三種破壞模式，并得到了軸壓力對其破壞模式的影響規(guī)律。
　　圖 1-□ 傳統(tǒng)空間裝配式半剛性節(jié)點
　　圖 1-3 新型空間裝配式半剛性節(jié)點
　　裝配式半剛性節(jié)點滯回性能相關研究集中于框架結構 [48-54]，而針對大跨空間結構裝配式半剛性節(jié)點的動力性能的研究十分有限。文獻 [37] 開展了柱板式節(jié)點滯回性能研究，結果表明該節(jié)點的滯回性能隨軸拉力增加而降低，但軸壓力對其影響不大。文獻 [55] 對齒式節(jié)點滯回性能開展了試驗與數(shù)值模擬研究，結果表明由于初始安裝縫隙，節(jié)點存在初始滑移，導致節(jié)點滯回曲線具有明顯的捏縮效應。任姍 [56] 對不同參數(shù)及荷載條件下的柱式節(jié)點 (C 型節(jié)點) 的滯回性能進行分析，得到了節(jié)點的滯回曲線、耗能系數(shù)和延性系數(shù)等節(jié)點滯回性能指標，結果表明該節(jié)點滯回性能受軸力的影響不容忽視。
　　以上研究成果已經表明了傳統(tǒng)及新型節(jié)點都具有一定的靜力抗彎剛度，具備較大的應用潛力及較好的應用前景。但上述成果主要集中在空間半剛性節(jié)點的靜力性能，針對裝配式半剛性節(jié)點滯回性能的研究有限，然而在地震荷載作用下，節(jié)點破壞主要是由低周疲勞損傷累積引起的，因此，深入研究節(jié)點的耗能機制，建立可以應用于整體結構建模的考慮強度和剛度退化的節(jié)點損傷模型具有重要的理論意義和應用價值。
　　1.3.□ 半剛性節(jié)點網殼結構性能研究
　　首先學者們開展了半剛性節(jié)點網殼整體靜力性能相關研究。See[□□]，F(xiàn)athelbab[□3] 和 El-Sheikh[□8] 對采用螺栓球節(jié)點的網殼結構進行了模型試驗，結果表明節(jié)點剛度對網殼承載力的影響顯著，在實際設計建立計算模型時應考慮節(jié)點剛度。同時文獻 [57-59] 也分析了網殼穩(wěn)定承載力隨節(jié)點剛度的□化規(guī)律。文獻 [60-6□]對考慮節(jié)點剛度的凱威特網殼結構內力進行推導，初步對不同節(jié)點剛度網殼的力學性能進行了分析。范峰等 [63，64] 將螺栓球節(jié)點的 φ-M 曲線簡化為彈簧單元，建立了不同節(jié)點初始轉動剛度下的半剛性單層球面網殼的數(shù)值模型，分析了各參數(shù)對網殼靜力承載力的影響情況。馬會環(huán)等擬合出了無缺陷狀態(tài)下半剛性球面網殼的極限承載力公式 [65，66]，同時開展了半剛性單層柱面網殼模型試驗 [67]，結果表明半剛性單層柱面網殼承載力介于剛接網殼與鉸接網殼之間。曹正罡等 [68] 對采用螺栓球節(jié)點的單層網殼結構靜力穩(wěn)定性能開展了相關研究，結果表明此類半剛性節(jié)點可以應用于一定跨度的單層球面網殼中，但不宜應用于單層柱面網殼中。馬會環(huán)等 [69] 建立了基于碗式節(jié)點 φ-M 曲線的單層橢圓拋物面網殼數(shù)值模型，擬合了該結構不同參數(shù)下的靜力承載力公式。文獻 [70， 71] 中表明，類似于碗式節(jié)點這類剛度及承載力較小的半剛性節(jié)點同樣可以應用于中小跨度的單層網殼結構中。文獻 [7□] 對插管式球節(jié)點 (HB 節(jié)點) 進行了有限元分析，獲得了該節(jié)點的φ-M 曲線，并對小跨度 (15m) 的單層網殼靜力穩(wěn)定性進行分析，證明該節(jié)點可以滿足此類小跨度網殼需求。文獻 [73] 采用模型試驗與數(shù)值模擬相結合的方法對新型 T 型截面節(jié)點抗彎性能進行研究，并將該節(jié)點 φ-M 曲線帶入 40～80m 跨度的網殼中進行結構整體靜力穩(wěn)定性分析，結果表明此節(jié)點剛度可以滿足此跨度單層網殼的需求。
　　對于半剛性鋁合金單層網殼結構的靜力性能，郭小農等 [74] 和熊哲等 [75] 進行了整體半剛性網殼模型試驗，驗證了基于鋁合金板式節(jié)點剛度的網殼數(shù)值模型的準確性，得到了網殼整體穩(wěn)定性隨各參數(shù)的□化規(guī)律，并擬合了該結構穩(wěn)定承載力的計算公式。馬會環(huán)等 [76] 建立了可以考慮柱板式節(jié)點三軸 φ-M 曲線的節(jié)點連接單元，并基于該連接單元建立了半剛性橢圓拋物面網殼的數(shù)值模型，得到了各軸初始轉動剛度對網殼靜力承載力的影響規(guī)律。文獻 [77] 通過大量數(shù)值參數(shù)分析得到了半剛性鋁合金單層球面網殼矢跨比及蒙皮效應對網殼穩(wěn)定承載力的影響規(guī)律，并推導了鋁合金單層球面網殼結構穩(wěn)定承載力的近似計算公式。在半剛性木節(jié)點網殼方面，孫小鸞等 [78] 對不同節(jié)點剛度的單層木網殼受力性能進行研究，研究結果表明裂縫的發(fā)展及試件剛度的退化可以通過提高節(jié)點剛度得到顯著的改善，同時矢跨比較小的網殼容易發(fā)生失穩(wěn)破壞。周金將等 [79] 對半剛性單層木網殼靜力性能進行分析，研究結果表明節(jié)點剛度對結構整體穩(wěn)定性的影響不容忽視