第一章 半剛性節(jié)點(diǎn)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)
　　1.1 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)
　　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(jié)構(gòu)的美觀和跨度提出了更高的要求，進(jìn)一步促進(jìn)了空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的發(fā)展�？臻g網(wǎng)格結(jié)構(gòu)分為兩種形式，平板形式稱為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，曲面形式稱為網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。其中網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)與薄殼結(jié)構(gòu)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(chǎn)及體育文化事業(yè)的快速發(fā)展，人們對建筑結(jié)構(gòu)的美觀及跨度提出了更高的要求，這進(jìn)一步促進(jìn)了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的蓬勃發(fā)展，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)也逐漸受到了建筑師和結(jié)構(gòu)師的青睞，成為□□來在建筑工程中廣泛應(yīng)用的一種空間結(jié)構(gòu)形式 [1，□]。
　　網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)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(diǎn)，它可以覆蓋大跨空間，不同曲面的網(wǎng)殼可以提供各種新穎的建筑造型，給設(shè)計(jì)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(yīng)用于國家或地區(qū)的標(biāo)志性建筑 (如圖 1-1 所示)，這些建筑通常具有重要的政治經(jīng)濟(jì)意義，并集中代表著一個國家建筑科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平，所以網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的理論研究與實(shí)踐一直是結(jié)構(gòu)學(xué)科中*活躍的領(lǐng)域之一。近幾年，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)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(jìn)步，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的工程實(shí)踐數(shù)量迅猛增長，被廣泛應(yīng)用于體育館、游泳館、會展中心和機(jī)場航站樓等大型公共建筑中，如北京亞運(yùn)會 (1990)、哈爾濱亞冬會 (1996)、上海八運(yùn)會 (1997)、廣州九運(yùn)會 (□001)、北京奧運(yùn)會 (□008) 及上海世博會 (□010)中的許多大跨建筑。目前，我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速增長，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)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(lǐng)域面臨的巨大機(jī)遇和挑戰(zhàn)，與此同時(shí)，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)作為大跨空間結(jié)構(gòu)的主要形式之一，勢必得到更為廣泛的應(yīng)用。
　　圖 1-1 標(biāo)志性網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)
　　1.□ 半剛性節(jié)點(diǎn)
　　近代空間結(jié)構(gòu)在世界工程領(lǐng)域所取得的巨大成功主要?dú)w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(diǎn)的發(fā)展 [3，4]；□ 能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)際結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真分析的計(jì)算機(jī)軟件的快速發(fā)展�？臻g結(jié)構(gòu)中常用節(jié)點(diǎn)主要有焊接球節(jié)點(diǎn) [5] 和裝配式節(jié)點(diǎn)。在空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，焊接球節(jié)點(diǎn)被簡化為剛接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以焊接球節(jié)點(diǎn)連接的網(wǎng)殼及網(wǎng)架均被作為剛接結(jié)構(gòu)分析計(jì)算；而其他的裝配式節(jié)點(diǎn)則被簡化為鉸接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，認(rèn)為裝配式節(jié)點(diǎn)不具備轉(zhuǎn)動剛度，因此以裝配式節(jié)點(diǎn)連接的單層網(wǎng)殼在實(shí)際工程應(yīng)用中受到了極大的限制。然而，實(shí)際上大多數(shù)的裝配式節(jié)點(diǎn)都具有有限的轉(zhuǎn)動剛度，能夠承受一定的彎矩，是介于剛接節(jié)點(diǎn)和鉸接節(jié)點(diǎn)之間的一種半剛性節(jié)點(diǎn)。相較于剛接節(jié)點(diǎn)和鉸接節(jié)點(diǎn)，半剛性節(jié)點(diǎn)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1 與剛接節(jié)點(diǎn)相比，半剛性節(jié)點(diǎn)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(diǎn)部件均可在工廠預(yù)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(zhì)量，可以有效降低現(xiàn)場施工費(fèi)用；□ 與鉸接節(jié)點(diǎn)相比，半剛性節(jié)點(diǎn)具有一定的抗轉(zhuǎn)動剛度，可以提高網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，使其應(yīng)用范圍更加廣泛，特別適用于一定跨度的單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。若采用一些新型半剛性節(jié)點(diǎn)，對單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用，會起到極大的促進(jìn)作用。
　　1.3 半剛性節(jié)點(diǎn)及其網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)研究歷程
　　由于我國大力提倡發(fā)展裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑，裝配式半剛性節(jié)點(diǎn)逐漸在工程中得到普遍應(yīng)用，同時(shí)學(xué)者們意識到在鋼結(jié)構(gòu)簡化分析中有關(guān)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(lǐng)域內(nèi)的學(xué)者們逐漸開展了關(guān)于半剛性節(jié)點(diǎn)性能的研究，結(jié)構(gòu)類型包括鋼框架 [10-1□]、大跨空間結(jié)構(gòu) [13，14]、檁條 [15]、貨架 [16]等。學(xué)者們開展了大量節(jié)點(diǎn)模型試驗(yàn) [17-19]，得到了不同半剛性節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動剛度及其轉(zhuǎn)角–彎矩曲線，并將其簡化為理論計(jì)算模型 [□0，□1]，以此為基礎(chǔ)對半剛性節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的整體性能進(jìn)行研究。
　　國內(nèi)外關(guān)于半剛性節(jié)點(diǎn)及其網(wǎng)殼的研究始于節(jié)點(diǎn)靜力性能方面的研究，之后逐漸開展了關(guān)于半剛性網(wǎng)殼的靜力性能相關(guān)研究，得到了節(jié)點(diǎn)剛度對單層網(wǎng)殼靜力穩(wěn)定性能的影響規(guī)律。近來學(xué)者們逐漸開展了對半剛性節(jié)點(diǎn)及其網(wǎng)殼動力性能的研究，得到了半剛性節(jié)點(diǎn)的滯回曲線，并對節(jié)點(diǎn)性能對單層網(wǎng)殼動力性能的影響規(guī)律進(jìn)行了探討。以下分別從半剛性節(jié)點(diǎn)和半剛性節(jié)點(diǎn)網(wǎng)殼兩個研究方面進(jìn)行介紹。
　　1.3.1 半剛性節(jié)點(diǎn)性能研究
　　大跨空間結(jié)構(gòu)半剛性節(jié)點(diǎn)靜力性能的研究始于 See[□□] 和 Fathelbab[□3]，他們對螺栓球節(jié)點(diǎn) (如圖 1-□a 所示) 的抗彎性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，獲得了此節(jié)點(diǎn)在純彎作用下的轉(zhuǎn)角–彎矩曲線 (φ-M 曲線) 及各參數(shù)對節(jié)點(diǎn)初始轉(zhuǎn)動剛度的影響規(guī)律。隨之為了得到軸力對節(jié)點(diǎn)剛度的影響規(guī)律，學(xué)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(diǎn)在壓力與彎矩同時(shí)作用下的靜力試驗(yàn)，并通過節(jié)點(diǎn)有限元模型得到了節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)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(jìn)行了不同拉彎及壓彎荷載下的螺栓球節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)，結(jié)果表明螺栓球節(jié)點(diǎn)的極限彎矩受軸力影響顯著。同時(shí) 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(diǎn)也開展了大量試驗(yàn)研究，得到了此類節(jié)點(diǎn)在純彎作用下及彎矩與軸力聯(lián)合作用的轉(zhuǎn)角–彎矩曲線和剛度□化規(guī)律。馬會環(huán)等 [35] 對碗式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了在軸力與彎矩共同作用下的靜力試驗(yàn)，并采用有限元軟件對碗式節(jié)點(diǎn) (如圖 1-□b 所示) 開展了參數(shù)分析，得到了不同構(gòu)件參數(shù)及壓彎荷載等級下碗式節(jié)點(diǎn)抗彎性能，推導(dǎo)了碗式節(jié)點(diǎn)φ-M 曲線預(yù)測公式。單晨 [36] 對轂形節(jié)點(diǎn) (如圖 1-□c 所示) 進(jìn)行了數(shù)值分析，結(jié)果表明轂形節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)殼平面內(nèi)方向剛度及承載力很小，而在網(wǎng)殼平面外方向具有一定的轉(zhuǎn)動剛度，同時(shí)此節(jié)點(diǎn)抗壓性能優(yōu)于抗拉性能。除了對傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)抗彎能力的研究，少數(shù)學(xué)者研發(fā)了適用于更大跨度網(wǎng)殼、具有更大初始轉(zhuǎn)動剛度的新型半剛性節(jié)點(diǎn)。馬會環(huán)等 [37] 對柱板式節(jié)點(diǎn) (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(zhuǎn)動剛度、極限彎矩及破壞模式。文獻(xiàn) [38] 對齒式節(jié)點(diǎn) (如圖 1-3b 所示) 同時(shí)開展了試驗(yàn)與數(shù)值研究，得到了該節(jié)點(diǎn)在純彎作用下的 φ-M 曲線，且將齒式節(jié)點(diǎn)簡化為彈簧模型，推導(dǎo)了齒式節(jié)點(diǎn)φ-M 曲線預(yù)測公式。文獻(xiàn) [39，40] 對柱式節(jié)點(diǎn) (如圖 1-3c 所示) 開展了靜力試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明此節(jié)點(diǎn)具有良好的初始轉(zhuǎn)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(diǎn)φ-M 曲線預(yù)測公式。學(xué)者們也逐漸開展了關(guān)于半剛性鋁合金節(jié)點(diǎn)與木節(jié)點(diǎn)性能的研究。文獻(xiàn) [41] 提出了一種適用于自由曲面網(wǎng)殼的雙環(huán)節(jié)點(diǎn)，并通過試驗(yàn)得到了該節(jié)點(diǎn)的靜力初始轉(zhuǎn)動剛度及破壞模式。張竟樂等 [4□]、Guo 等 [43] 通過節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)、有限元分析等方法得到了板式節(jié)點(diǎn)不同構(gòu)件參數(shù)下的節(jié)點(diǎn)剛度、破壞模式的指標(biāo)。馬會環(huán)等 [44] 提出剛度更大的鋁合金柱板式節(jié)點(diǎn)，建立了該節(jié)點(diǎn)有限元模型，結(jié)果表明，鋁合金柱板式節(jié)點(diǎn)在不同荷載作用下的抗彎性能較板式節(jié)點(diǎn)有顯著提高。關(guān)于半剛性木節(jié)點(diǎn)方面，孫鸞等 [45，46] 研究了木網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)半剛性裝配式植筋節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能，結(jié)果表明偏心距與軸力對該節(jié)點(diǎn)初始轉(zhuǎn)動影響顯著。周華樟等 [47] 總結(jié)了新型 Kiewitt6 型木網(wǎng)殼鋼夾板節(jié)點(diǎn)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(diǎn)
　　圖 1-3 新型空間裝配式半剛性節(jié)點(diǎn)
　　裝配式半剛性節(jié)點(diǎn)滯回性能相關(guān)研究集中于框架結(jié)構(gòu) [48-54]，而針對大跨空間結(jié)構(gòu)裝配式半剛性節(jié)點(diǎn)的動力性能的研究十分有限。文獻(xiàn) [37] 開展了柱板式節(jié)點(diǎn)滯回性能研究，結(jié)果表明該節(jié)點(diǎn)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(xiàn) [55] 對齒式節(jié)點(diǎn)滯回性能開展了試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明由于初始安裝縫隙，節(jié)點(diǎn)存在初始滑移，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)滯回曲線具有明顯的捏縮效應(yīng)。任姍 [56] 對不同參數(shù)及荷載條件下的柱式節(jié)點(diǎn) (C 型節(jié)點(diǎn)) 的滯回性能進(jìn)行分析，得到了節(jié)點(diǎn)的滯回曲線、耗能系數(shù)和延性系數(shù)等節(jié)點(diǎn)滯回性能指標(biāo)，結(jié)果表明該節(jié)點(diǎn)滯回性能受軸力的影響不容忽視。
　　以上研究成果已經(jīng)表明了傳統(tǒng)及新型節(jié)點(diǎn)都具有一定的靜力抗彎剛度，具備較大的應(yīng)用潛力及較好的應(yīng)用前景。但上述成果主要集中在空間半剛性節(jié)點(diǎn)的靜力性能，針對裝配式半剛性節(jié)點(diǎn)滯回性能的研究有限，然而在地震荷載作用下，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的耗能機(jī)制，建立可以應(yīng)用于整體結(jié)構(gòu)建模的考慮強(qiáng)度和剛度退化的節(jié)點(diǎn)損傷模型具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。
　　1.3.□ 半剛性節(jié)點(diǎn)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)性能研究
　　首先學(xué)者們開展了半剛性節(jié)點(diǎn)網(wǎng)殼整體靜力性能相關(guān)研究。See[□□]，F(xiàn)athelbab[□3] 和 El-Sheikh[□8] 對采用螺栓球節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模型試驗(yàn)，結(jié)果表明節(jié)點(diǎn)剛度對網(wǎng)殼承載力的影響顯著，在實(shí)際設(shè)計(jì)建立計(jì)算模型時(shí)應(yīng)考慮節(jié)點(diǎn)剛度。同時(shí)文獻(xiàn) [57-59] 也分析了網(wǎng)殼穩(wěn)定承載力隨節(jié)點(diǎn)剛度的□化規(guī)律。文獻(xiàn) [60-6□]對考慮節(jié)點(diǎn)剛度的凱威特網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行推導(dǎo)，初步對不同節(jié)點(diǎn)剛度網(wǎng)殼的力學(xué)性能進(jìn)行了分析。范峰等 [63，64] 將螺栓球節(jié)點(diǎn)的 φ-M 曲線簡化為彈簧單元，建立了不同節(jié)點(diǎn)初始轉(zhuǎn)動剛度下的半剛性單層球面網(wǎng)殼的數(shù)值模型，分析了各參數(shù)對網(wǎng)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(wǎng)殼的極限承載力公式 [65，66]，同時(shí)開展了半剛性單層柱面網(wǎng)殼模型試驗(yàn) [67]，結(jié)果表明半剛性單層柱面網(wǎng)殼承載力介于剛接網(wǎng)殼與鉸接網(wǎng)殼之間。曹正罡等 [68] 對采用螺栓球節(jié)點(diǎn)的單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)靜力穩(wěn)定性能開展了相關(guān)研究，結(jié)果表明此類半剛性節(jié)點(diǎn)可以應(yīng)用于一定跨度的單層球面網(wǎng)殼中，但不宜應(yīng)用于單層柱面網(wǎng)殼中。馬會環(huán)等 [69] 建立了基于碗式節(jié)點(diǎn) φ-M 曲線的單層橢圓拋物面網(wǎng)殼數(shù)值模型，擬合了該結(jié)構(gòu)不同參數(shù)下的靜力承載力公式。文獻(xiàn) [70， 71] 中表明，類似于碗式節(jié)點(diǎn)這類剛度及承載力較小的半剛性節(jié)點(diǎn)同樣可以應(yīng)用于中小跨度的單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中。文獻(xiàn) [7□] 對插管式球節(jié)點(diǎn) (HB 節(jié)點(diǎn)) 進(jìn)行了有限元分析，獲得了該節(jié)點(diǎn)的φ-M 曲線，并對小跨度 (15m) 的單層網(wǎng)殼靜力穩(wěn)定性進(jìn)行分析，證明該節(jié)點(diǎn)可以滿足此類小跨度網(wǎng)殼需求。文獻(xiàn) [73] 采用模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對新型 T 型截面節(jié)點(diǎn)抗彎性能進(jìn)行研究，并將該節(jié)點(diǎn) φ-M 曲線帶入 40～80m 跨度的網(wǎng)殼中進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體靜力穩(wěn)定性分析，結(jié)果表明此節(jié)點(diǎn)剛度可以滿足此跨度單層網(wǎng)殼的需求。
　　對于半剛性鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的靜力性能，郭小農(nóng)等 [74] 和熊哲等 [75] 進(jìn)行了整體半剛性網(wǎng)殼模型試驗(yàn)，驗(yàn)證了基于鋁合金板式節(jié)點(diǎn)剛度的網(wǎng)殼數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，得到了網(wǎng)殼整體穩(wěn)定性隨各參數(shù)的□化規(guī)律，并擬合了該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定承載力的計(jì)算公式。馬會環(huán)等 [76] 建立了可以考慮柱板式節(jié)點(diǎn)三軸 φ-M 曲線的節(jié)點(diǎn)連接單元，并基于該連接單元建立了半剛性橢圓拋物面網(wǎng)殼的數(shù)值模型，得到了各軸初始轉(zhuǎn)動剛度對網(wǎng)殼靜力承載力的影響規(guī)律。文獻(xiàn) [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(wǎng)殼矢跨比及蒙皮效應(yīng)對網(wǎng)殼穩(wěn)定承載力的影響規(guī)律，并推導(dǎo)了鋁合金單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定承載力的近似計(jì)算公式。在半剛性木節(jié)點(diǎn)網(wǎng)殼方面，孫小鸞等 [78] 對不同節(jié)點(diǎn)剛度的單層木網(wǎng)殼受力性能進(jìn)行研究，研究結(jié)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(diǎn)剛度得到顯著的改善，同時(shí)矢跨比較小的網(wǎng)殼容易發(fā)生失穩(wěn)破壞。周金將等 [79] 對半剛性單層木網(wǎng)殼靜力性能進(jìn)行分析，研究結(jié)果表明節(jié)點(diǎn)剛度對結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的影響不容忽視