本实用新型涉及土木工程钢结构设计领域，基于钢结构连接节点和钢管结构基本理论，提出了一种适用于单层扁平网壳的装配式矩形钢管节点。
背景技术：
钢管是单层网壳等大跨建筑结构常用构件，主管(弦杆)连续、支管(腹杆)连接于主管两侧的钢管节点(包括钢管相贯节点及其基础上的加强节点)是大跨建筑结构常用的节点形式之一。节点部位受力复杂，节点对保证结构安全起到关键作用，合理的节点的应使得构件传力合理、明确，还应便于施工安装。
主管贯通、支管在主管处断开后直接焊接于主管表面的特征使得钢管相贯节点往往具有承载力相对较低、刚度较低的缺陷，此外虽然大部分焊接工作在加工厂完成，但依然存在现场焊接不容易保障焊缝质量的问题。
技术实现要素：
本实用新型要克服现有技术的上述缺点，提出一种装配式矩形钢管节点。
本实用新型的支管在中间位置开槽(下翼缘和腹板割掉而上翼缘贯通)搭在主管上并通过端板、锚栓、单边螺栓连接的装配式矩形钢管节点，该节点可用于单层扁平网壳结构，具有节点承载力高、避免现场焊接、施工便利等优点，平面外弯矩成为此类节点的主要内力。运用钢结构和管结构基本理论，提出了此类节点的设计计算方法。
装配式矩形钢管节点，用于由矩形钢管构件构成的扁平单层网壳结构，承载竖向静力荷载和地震作用产生的平面外弯矩，包括相互垂直交叉的主管和支管，支管和主管截面相同；支管中间开槽后搭在主管上，支管中间开槽是指支管中间位置的下翼缘和腹板切割掉而上翼缘贯通，形成一个槽口，槽口两端分别焊接一块端板；主管穿过所述的槽口，通过位于主管下翼缘下方的螺栓(或锚栓)、及靠近主管上翼缘位置的单边螺栓将主管和端板连接起来；支管的腹板与端板之间装有横向加劲肋，支管的的下翼缘与端板之间装有竖向加劲肋。
支管在主管两侧不完全断开、螺栓(锚栓)端板连接的特点为本节点带来施工便利，支管和主管采用相同截面钢管、以及端板贴着主管的构造特点则能让节点获得更高承载力和刚度，支主管同截面则在整体结构中形成更明显的空间受力作用(类似井字梁的效果)。
本实用新型的有益效果是：
本实用新型应用于由矩形钢管构件组成的单层扁平网壳，提出了一种支管中间开槽后(下翼缘和腹板割掉但上翼缘贯通)搭在主管之上，再通过端板(焊接在槽口两侧)、锚栓和单边螺栓连接的装配式钢管连接节点。根据设计时节点在正、负平面外弯矩作用下的承载力mou不小于支管全截面屈服弯矩理论值mbp，进行端板和螺栓(锚栓)设计。有限元计算结果表明此节点在平面外弯矩(包括mo+和mo-)作用下的承载力大于mbp，克服了普通钢管相贯节点承载力低于相邻杆件(支管)的缺陷，节点在mo+和mo-作用下的弯矩-转角曲线相近。本实用新型可提供一种承载力高(高于相邻构件)的新型装配式钢管节点，并给出其在主要内力平面外弯矩作用下的设计方法。
附图说明
图1a是本实用新型的装配式矩形钢管节点的3d构造示意图。
图1b是本实用新型的装配式矩形钢管节点的俯视方向的平面示意图；
图1c是图1b的a-a向剖视图。
图1d是图1b的b-b向剖视图。
图2是mo+作用下的“主管侧壁(下翼缘)挤压屈曲”破坏模式的示意图。
图3是端板的支承条件分区和相关几何尺寸的示意图。
图4是螺栓、单边螺栓、端板加劲肋布置例子的示意图。
图5a～图5b是节点有限元模型(网格划分后)的示意图，其中：图5a是本实用新型螺栓端板连接钢管节点的有限元模型示意图；图5b是偏心矩形钢管相贯节点的有限元模型示意图。
图6a～图6e本实用新型节点与相应的钢管偏心相贯节点对比的示意图，其中：应力云图的颜色从浅到深表示应力从低到高，其中黑色为接近屈服的高应力区，灰色为屈服区如q345钢为345mpa。
图6a是本实用新型节点与相应的钢管偏心相贯节点在mo+作用下两类节点的弯矩-转角曲线对比。
图6b是本实用新型节点(左)和偏心相贯节点(右)达到节点承载力时主管应力云图对比(视角1)。
图6c是本实用新型节点(左)和偏心相贯节点(右)达到节点承载力时主管应力云图对比(视角2)。
图6d是本实用新型节点(左)和偏心相贯节点(右)达到节点承载力时的支管应力云图对比。
图6e是本实用新型节点达到节点承载力时的端板应力云图。
图7是本实用新型节点在正弯矩mo+和负弯矩mo-作用下的弯矩-转角曲线对比；
图8是本实用新型方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本实用新型的技术方案。
说明书附图的部件编号：主管1，支管2，端板3，单边螺栓4，螺栓(或锚栓)5，横向加劲肋6，竖向加劲肋7，两边支承端板格区8，三边支承端板格区9。
本实用新型的支管在中间位置开槽(下翼缘和腹板割掉而上翼缘贯通)搭在主管1上并通过端板3、锚栓5、单边螺栓4连接的装配式矩形钢管节点，该节点可用于单层扁平网壳结构，具有节点承载力高、避免现场焊接、施工便利等优点，平面外弯矩成为此类节点的主要内力。运用钢结构和管结构基本理论，提出了此类节点的设计计算方法。
装配式矩形钢管节点，用于由矩形钢管构件构成的扁平单层网壳结构，承载竖向静力荷载和地震作用产生的平面外弯矩，包括相互垂直交叉的主管1和支管2，支管2和主管1截面相同；支管2中间开槽后搭在主管1上，支管2中间开槽是指支管2中间位置的下翼缘和腹板切割掉而上翼缘贯通，形成一个槽口，槽口两端分别焊接一块端板3；主管1穿过所述的槽口，通过位于主管1下翼缘下方的螺栓(或锚栓)5、及靠近主管1上翼缘位置的单边螺栓4将主管1和端板3连接起来；支管1的腹板与端板3之间装有横向加劲肋6，支管2的的下翼缘与端板3之间装有竖向加劲肋7。
支管2在主管1两侧不完全断开、以螺栓(锚栓)5和端板3连接的特点为本节点带来施工便利，支管2和主管1采用相同截面钢管、以及端板3贴着主管1的构造特点则能让节点获得更高承载力和刚度，支主管同截面则在整体结构中形成更明显的空间受力作用(类似井字梁的效果)。
上述可用于扁平单层网壳结构的装配式矩形钢管节点，节点在平面外弯矩作用下的设计计算方法，包括如下步骤：
1)步骤s1，根据节点承载力不低于相邻构件(支管)，设计时确定节点在正、负平面外弯矩作用下的承载力mou不小于支管全截面屈服弯矩理论值mbp，正平面外弯矩mo+(竖向静力荷载产生)作用下，端板的重要功能之一就是将支管下翼缘传来的压力扩散到更长的主管下翼缘，根据“支管屈服”破坏先于“主管下翼缘挤压屈曲”破坏(支主管截面高度比大的矩形钢管相贯节点常见破坏模式)的原则，计算确定端板的最小宽度。
2)步骤s2，根据分析认为本实用新型节点在负弯矩mo-(风吸力或竖向地震作用产生)作用下的可能破坏模式为：螺栓(或锚栓)受拉破坏、搭在主管上的支管翼缘受压屈服或屈曲、端板破坏、单边螺栓受剪破坏，其中螺栓(或锚栓)拉力和支管上翼缘压力成为抵抗mo-的关键；
3)步骤s3，根据支管全截面屈服弯矩理论值mbp计算确定受拉螺栓(或锚栓)群所受的总拉力t，根据t确定螺栓(或锚栓)的直径db和数量n；
4)步骤s4，根据拧螺栓的扳手放置所需最小空间确定螺栓(锚栓)中心至支管下翼缘的距离ef并进行螺栓布置，再根据螺栓(锚栓)布置在端板上设置加劲肋，将端板从伸臂类区格变成两边支撑区格或三边支撑区格，根据钢结构理论确定端板厚度tp；
5)步骤s5，支管传来的剪力由单边螺栓(连接主管腹板和端板)抵抗，按内力组合中最大剪力vmax计算所需的单边螺栓，根据螺栓(或锚栓)和单边螺栓布置最终确定端板的宽度bep和高度hep。
所述步骤s2中，要求本实用新型节点在在正、负平面外弯矩作用下的承载力mou不小于支管全截面屈服弯矩理论值mbp，克服普通钢管相贯节点承载力往往低于构件(支管)的缺陷。如此，要求节点在正弯矩作用下发生“主管下翼缘挤压屈曲”的平面外抗弯承载力mou,cr不小于mbp，从而确定端板最小宽度。mou,cr则参考已有研究(《钢结构》2019第6期刊“主支管截面高度比大的矩形钢管偏心相贯节点平面外抗弯承载力”)结果，将其中主管下翼缘受挤压作用区域的长度改为(bep+5t)以考虑端板的有利作用(使得支管下翼缘传来的压力分散到更长的主管下翼缘)，如下：
mou＝σkt(h-t)(5t+bep)＝χfyt(h-t)(5t+bep)(1)
式中，h和t分别为主管截面高度和壁厚，bep为端板截面宽度，σk为主管下翼缘屈曲应力，fy为主管材料屈服强度，χ为稳定系数：
χ＝(5.56-4.17β-1-0.295lnγ)(2.03-0.69β1)，且≤1.0(2)
式中，β为支管与主管截面高度比(h/h)，本专利节点的支管与主管同截面故β＝1.0，β1为支管截面宽度与主管截面高度比(b/h)，γ为主管截面高度一半与主管壁厚之比(0.5h/t)。
所述步骤s3中，节点在负弯矩mo-(风吸力或竖向地震作用产生)作用下可能的破坏模式为：螺栓(或锚栓)受拉破坏、槽口处的支管上翼缘(即搭在主管上的支管上翼缘)受压屈曲或屈服、端板受弯破坏、单边螺栓受剪破坏，其中螺栓(或锚栓)的拉力和支管上翼缘的压力构成了抵抗mo-的关键。
所述步骤s4中，螺栓(或锚栓)拉力t、支管上翼缘压力p、靠近支管上翼缘主管传给端板的压力q共同抵抗节点所受的负弯矩mo-。根据支管全截面屈服弯矩理论值mbp计算螺栓(或锚栓)群拉力t＝mbp/h，h为支管截面高度。根据拉力t进行螺栓(或锚栓)设计，设计时应尽可能选择高强度材料(如8.8级b级螺栓)且长度应满足要求，螺栓(或锚栓)数量n和布置方面则根据支管宽度和端板宽度每一排4个以上(其中至少有2个位于支管宽度之外)，同时螺栓(或锚栓)直径db和间距s应满足钢结构紧固件设计的相关规定。
所述步骤s5中，根据螺栓(或锚栓)的布置，在端板上设置竖向和水平加劲肋(如附图3所示)，将受螺栓拉力作用区域的端板从伸臂类区格变成两邻边支承区格、或三边支承区格，根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》(gb51022-2015)相关规定计算两边支承格区、三边支承格区的端板厚度，分别如下式(3)和式(4)：
式中，f为端板钢材抗拉强度设计值，n1为一个螺栓(或锚栓)拉承载力设计值，ef为螺栓(或锚栓)中心至支管下翼缘的距离，可根据扳手放置所需最小空间确定，ew1为两边支承格区中的锚栓中心至加劲板的距离(见附图3)，ew2为三边支承格区中的锚栓中心至两边加劲板的距离(见附图3)，bep和bs分别为端板宽度和加劲肋宽度(见附图3)，bep和bs均与eb(锚栓中心至端板边缘距离)有关，eb可按《钢结构设计标准》(gb50017-2017)中的螺栓孔的构造规定确定。端板厚度tep取t1和t2的较大值，且不小于1.2倍钢管壁厚，bep不小于按式(1)计算的端板宽度。
所述步骤s6中，设置单边螺栓4(连接主管腹板和端板)抵抗剪力，根据内力组合中的最大剪力vmax计算所需的单边螺栓4，设计确定单边螺栓直径和数量，通常单边螺栓4数量不少于一排两个。根据锚栓5和单边螺栓4布置最终确定端板的宽度bep和长度hep。
例子分析
某一个单层扁平网壳由矩形钢管构件组成，支管2和主管1均采用截面为200×240×10mm3(宽×高×壁厚)，钢管材料为q345(屈服强度fy＝345mpa)，受到最大剪力vmax＝115kn，试采用本实用新型的装配式矩形钢节点进行设计。
解：首先，计算支管全截面屈服弯矩mby，并将其作为节点抗弯承载力mou＝mby＝fybt(h-t)+2fyt(h-2t)2/4＝242.2kn-m。按式(1)和式(2)计算端板宽度bep＝255.2mm，端板最小宽度为256mm。
第二，设计受拉螺栓(锚栓)5。螺栓(锚栓)5群受到的总拉力t＝mby/h＝1009.2kn，可以考虑一排4个锚栓5布置，每个螺栓(锚栓)5受到拉力t1＝252.3kn，因钢管截面宽度并不大，可采用抗拉强度较高的10.9级螺栓(抗拉强度ftb＝500mpa)，计算得后取m26螺栓。第三，一排4个m26螺栓5布置，螺栓5中心至支管下翼缘的距离ef取45mm，其中两个螺栓5在支管宽度范围内、另外两个位于端板两端，再设置水平加劲肋5和竖向加劲肋6(加劲肋厚度同支管壁厚)，如附图4所示，端板宽度bep＝340mm，大于最小宽度256。如此，将受到螺栓拉力作用的端板3分为两边支承区格8和三边支承区格9，端板3采用屈服强度较高但依然具有屈服平台的q460钢材(强度设计值f＝410mpa)，按式(3)和式(4)计算得到板的厚度分别为t1＝17.8mm、t2＝16.4mm，故端板3厚度tep＝18mm。
第四，按最大剪力vmax＝115kn进行单边螺栓4设计。根据文献《新型高强度螺栓单边连接应变松弛及抗剪性能研究》(工业建筑，2019年第7期)可知，单个高强度单边螺栓4抗剪承载力nv可采用《钢结构设计标准》(gb50017-2017)中的10.9级承压型高强螺栓的计算公式，如下：
式中，nvb、nvb分别为单个螺栓的受剪承载力设计值和承压承载力设计值，如果取10.9级m16高强承压型螺栓，则计算得到nvb＝48.6kn、ncb＝48.8kn，两排4个m16抗剪高强单边螺栓4就足够满足抗剪承载力要求，根据《钢结构设计标准》(gb50017-2017)的螺栓孔间距要求，进行布置，如附图4所示。
有限元数值分析
以有限元数值分析为手段，对本实用新型节点的性能进行研究，并与相应钢管偏心相贯节点的性能进行对比。有限元采用8节点线性缩减积分单元c3d8r，钢材采用双折线模型，弹性模量e＝206gpa，屈服强度取钢材强度标准值(如q345为345mpa)，强化模量取0.01e，网格划分后的模型见附图5。对比分析本实用新型节点和偏心钢管相贯节点弯矩-转角性能，见附图6。
由附图6(a)可知，在正弯矩mo+(竖向静力荷载产生)作用下，而本节点的弯矩-转角曲线明显高于偏心钢管相贯节点；偏心相贯节点因为“主管下翼缘挤压屈曲”而出现下降段，其峰值弯矩为213.8kn-m，低于支管全截面屈服弯矩理论值mby＝242.2kn-m；本实用新型节点弯矩-转角曲线没有出现下降段，故没有发生“主管下翼缘挤压屈曲”，按照钢管节点承载力变形准则(局部变形达到3％主管宽度对应的荷载即为节点承载力)，本实用新型节点在正弯矩mo+作用下的平面外抗弯承载力253.2kn-m，大于支管全截面屈服弯矩理论值。
附图6b-6e给出本实用新型节点和偏心钢管相贯节点在达到各自承载力(253.2kn-m和213.8kn-m)时的主管、支管应力云图对比。图中，颜色从浅到深表示应力从低到高编号，黑色为接近屈服的区域，灰色为屈服区域。由图可知，本实用新型的节点支管塑性化程度明显比偏心钢管相贯节点高，体现出本专利节点的“节点承载力高于构件(支管)”的特点；偏心相贯节点主管的塑性发展区为相贯线附近的主管下翼缘及其附近腹板，而本专利节点则在主管下翼缘和单边螺栓孔附近主管腹板(靠近主管上翼缘)出现塑性发展区；正弯矩mo+作用下，采用高强度钢材(q460)的端板基本上没有进入塑性。
附图7给出正、负弯矩作用下节点的弯矩-转角曲线对比，可见两者和接近，按照承载力变形准则，负向抗弯承载力为260.1kn-m很接近正向抗弯承载力253.2kn-m。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对实用新型构思的实现形式的列举，本实用新型的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本实用新型的保护范围也及于本领域技术人员根据本实用新型构思所能够想到的等同技术手段。
1.装配式矩形钢管节点，用于由矩形钢管构件构成的扁平单层网壳结构，承载竖向静力荷载和地震作用产生的平面外弯矩，其特征在于：包括相互垂直交叉的主管和支管，支管和主管截面相同；支管中间开槽后搭在主管上，支管中间开槽是指支管中间位置的下翼缘和腹板切割掉而上翼缘贯通，形成一个槽口，槽口两端分别焊接一块端板；主管穿过所述的槽口，通过位于主管下翼缘下方的锚栓、及靠近主管上翼缘位置的单边螺栓将主管和端板连接起来；支管的腹板与端板之间装有横向加劲肋，支管的下翼缘与端板之间装有竖向加劲肋。
技术总结