螺栓球节点的研究进展分析

摘要：螺栓球节点因具有受力明确、安装施工简易等优点，被广泛应用到空间网格结构中起到连接杆件以及传递荷载的作用。本文主要对螺栓球节点的国内外研究进展情况进行分析，主要包括螺栓球节点的受力性能、半刚性、疲劳性能，以及高温、腐蚀对其性能的影响等。

关键字：螺栓球节点 半刚性  疲劳性能 腐蚀 高温

节点在空间网格结构中起着连接杆件以及传递荷载的作用，它决定了网格结构能否得到大力推广。国内外应用最为广泛的网格结构节点形式为焊接空心球节点和螺栓球节点，因螺栓球节点由于具有现场安装施工简易、标准零部件便于批量加工及工期短等优点，在工程应用中被认为是焊接空心球节点的一种很好的替代方案。国内外学者对螺栓球节点进行了大量的试验研究、理论分析及数值模拟等，研究内容主要涉及到螺栓球节点的受力性能、半刚性、疲劳性能，以及高温、腐蚀对其性能的影响等。本文将对螺栓球节点的国内外研究进展情况进行分析讨论。

1.螺栓球节点力学性能的研究

单个螺栓球节点往往连接多根杆件，节点承载能力一旦不足就会导致结构的局部或整体发生破坏，所以研究其承载能力对网格结构的稳定性具有很大意义。如李达[1]通过采用对铝合金螺栓球节点的抗压（拉）性能的研究，指出需重点关注螺栓球节点的受拉破坏问题。

螺栓球节点连接在设计中通常假设为铰接，即忽略节点抗弯刚度，而实际中该节点处可以承受弯曲作用，是介于刚接和铰接之间的半刚性节点。这种假定会造成结构实际承载能力与理论分析结果有较大偏差，因此研究螺栓球节点的真实刚度对整个结构承载能力的影响有重要意义。国外学者对半刚性节点及半刚性节点空间结构的研究始于上世纪80年代 [2]。国内学者对半刚性节点及半刚性节点空间结构的研究也越来越多[3-6]，如马越洋[3]研究表明节点刚度对空间网格结构受力性能的影响不容忽视;范锋 [4]曾研究不同螺栓球节点刚度对凯威特网壳稳定承载力的影响;张毅刚等[5]通过对四种螺栓球节点进行精细化建模，获得螺栓球节点弯矩-转角曲线;喻晓晨[6]通过将刚接与铰接网壳进行对比，提出不建议将铰接节点应用于实际工程的单层柱面网壳中。

2.螺栓球节点安装缺陷对性能影响的研究

螺栓球节点由于其组成构件较多，再加上受加工误差、测量误差等因素影响，在安装过程中往往存在高强螺栓拧入深度不足等初始缺陷问题，这给网格结构的空间安全带来了极大隐患。因此，研究螺栓拧入程度下的螺栓球节点的受力性能及其对网格结构的稳定性影响应引起关注。目前，国内外主要采用实验、数值模拟等手段研究了螺栓拧入程度对节点的破坏模式、抗拉及抗弯承载能力等进行了研究[7-9]。如吴滨[7]通过改变螺栓球和套筒之间的间隙模拟螺栓拧入程度，分析了拧入不足下的节点刚度和极限弯矩变化规律;吴琼尧 [8]通过改变螺纹的啮合数来模拟高强螺栓的拧入长度，采用ANSYS数值模拟分析指出高强螺栓拧入长度不足可严重降低节点刚度及其极限承载力。

3.螺栓球节点疲劳性能特性研究

随着网格结构广泛地应用到工业建筑中，螺栓球节点的疲劳问题也亟待解决。网格结构的疲劳性能主要取决于节点的疲劳性能，而节点的疲劳问题又主要是连接的疲劳问题。因此，在螺栓球节点网格结构中高强螺栓作为轴心受拉连接件，且在有可能承受交变动荷载情况下，必须认真考虑螺栓球节点中高强螺栓连接的疲劳性能。

国内外学者对不同规格螺栓球节点在常幅、变幅加载下的超低周、低周、中周、高周疲劳性能、疲劳机理进行了较全面研究，研究的结构形式从只有螺栓球与螺栓组合的最简单形式发展到螺栓球节点连接钢管构件的组合试件[10-13]。如Song[10]研究了钢网架板式支座节点在恒定垂直载荷和水平往复可变载荷下的超低周疲劳破坏情况;Chen[11]对核电站循环水泵锚固螺栓断裂的分析研究发现导致螺栓的疲劳失效断裂的关键原因是螺栓预紧力过大;杨旭[12]通过理论和试验方法对螺栓球节点中高强螺栓的高周疲劳性能进行了分析，证明在高周疲劳中应力集中会降低高强螺栓的强度。雷宏刚[13]通过对简化后的螺栓球节点进行常幅疲劳试验。

随着螺栓球节点在体育馆、机场、车站等大跨度钢网格结构中的广泛应用，螺栓球节点疲劳性能的研究应最终上升为由螺栓球节点组装而成的空间网格结构的疲劳性能研究，这样螺栓球节点的疲劳研究才逐渐趋于完整。如郭浩然[14]通过试验及可靠度理论研究对考虑节点腐蚀疲劳的输电杆塔可靠度进行了分析。

4.螺栓球节点高温特性研究

螺栓球网架的主要组成是钢材，钢材在高温环境下其各项力学性能都会明显降低。节点作为网架结构的承载元件，要想研究网架结构的高温力学特性，必须首先从螺栓球节点出发。目前，常温条件下螺栓球节点的研究相对成熟，但国内外对螺栓球节点高温特性研究相对较少，或者仅针对某种特定规格高强螺栓的高温力学特性作了试验或数值分析研究[15-18]。如杨放[15]通过对螺栓球节点进行高温受拉试验，发现：随着温度升高，节点的刚度、屈服载荷和极限载荷逐渐降低;陈安阳[16]通过有限元对螺栓球柱节点在高温下受压承载性能进行了研究;刘东宇[18]对火灾下（后）螺栓连接、螺栓球节点和网架结构的力学性能进行了较系统研究，研究表明：火灾下螺栓球节点区域的极限耐火温度随着钢管应力比的增大而减小;经历火灾后的节点，受拉螺栓球节点较受压螺栓球节点更为不利，因此研究中应更注重节点受拉承载能力。

5.螺栓球节点腐蚀性能及防腐措施研究

目前，螺栓球节点网格结构通常用于体育场馆、游泳馆、机场航站楼等人员聚集量大的建筑中，但由于建筑物所处位置气候环境的不同，螺栓球节点会与如雨水（含杂质）、酸性气体、腐蚀性离子等发生电化学作用后引起自身腐蚀，从而造成螺栓球节点的承载能力和使用寿命大大降低，最终会影响到空间网络结构的整体稳定。因此，研究腐蚀对螺栓球节点承载能力的影响，并寻找合适的解决措施来降低腐蚀带来的危害以及经济损失具有很大意义。