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摘要：钢桁架结构中最常用的一种形式是弦杆采用双角钢而腹部杆采用单角钢或双角钢的形式，腹杆和弦杆之间通过节点板连接起来，节点板通过角焊缝连接弦杆和腹杆。为了研究节点板的失效形式，本文通过实验测试的方法研究了节点板在腹杆承受轴向压力作用下的破坏过程。实验结果发现节点板最终发生了平面外失稳的破坏形式，并且研究了节点板上不同区域的应力发展过程，分析了节点板的破坏机理，为工程设计提供参考意见。
关键词：节点板；失效模式；承载力；应力发展过程
中图分类号：TU323.4文献标识码： A 文章编号：
简介
钢结构桁架在厂房、展览馆、体育馆和桥梁等公共建筑中应用广泛，对于其承载力的计算，特别是对于复杂桁架节点的承载力计算是十分重要的，桁架节点的受力性能和破坏形态将直接影响整体结构的安全性。按照“强节点弱杆件”的设计原则，桁架结构破坏时，应是杆件破坏先于节点，这是因为单个杆件破坏还不至于引起整个桁架空间体系的破坏， 而节点特别是复杂节点的破坏则可以引起整个结构的解体， 其后果是不言而喻的。而作为钢桁架中的重点受力部位 -节点板，其连接节点的受力状态将严重影响整个结构的正常工作，故有必要对其进行研究和了解。从国内外关于节点板的研究成果可以看出，节点板的受力性能与其厚度、尺寸大小、受力偏心等几何因素有重大关系，其受压破坏形式大多为节点板局部进入塑性导致发生屈服或在压力作用下节点板发生屈曲破坏。但由于节点板本身连接形式的多样性和受力的复杂性，目前对其受力过程、破坏机理及极限承载能力都还有待于进行更深入的研究。
Whitmore[1]最早提出节点板承载力的计算方法，即有效宽度法，被广泛运用于节点板的设计。该方法能合理计算节点板发生强度破坏时的承载力，但对节点板发生失稳时的承载力估计过高，偏于不安全。随后，在肯塔基大学又进行了两个试验研究。首先，在1957年，由Irvan[2]在Pratt桁架上进行了双面连接的节点板应力研究，研究方法类似于Whitmore的研究，且弦杆在节点处是连续的，起横梁作用。Irvan发现最大拉应力的位置在受拉斜杆的末端附近；最大压应力出现在压力的顶端处；最大剪应力出现在弦杆底部以上的平面上，且最大值在斜杆和竖直杆之间产生。接着在1958年，Hardin[3]在肯塔基大学使用Irvan的方法对有弦杆拼接的Pratt桁架节点板的应力进行了进一步研究，进一步证实了Irvan先前的研究，得出节点板上的最大拉应力区域在拼接弦杆之间。1960年，Masia的试验给出了单个节点板有价值的试验分析。1967年，Davis用计算机程序模拟了Whitmore的试验，进一步证实了Whitmore的结论。1971年，Vasarhelyi[4]使用同样的Warren桁架模型，采用不同的加载试验方法，目的是确定节点板上应力分析的不同试验方法，结果表明，各种不同的分析方法在节点板上出现的应力最大值稍微不同，主要变化是这些最大值的区域。1985年，Hardash和Bjorhovde[5]为了确定节点板的极限强度，他们对做过的大量节点板试验进行了研究分析，在这些研究中发现，桁架受拉连接的节点板开裂穿过最末端螺栓，同时栓孔被拉伸，产生了板块受剪切的情况，这也导致了块体剪切极限强度概念的发展。他们综合考虑所有主要强度参数，得出了合理的节点板计算准则。2004年，Aage Peter Jensen[6]将Mises屈服准则和Tresa屈服准则一起应用推导出焊有单个插板连接的节点板极限强度，并通过试验验证，表明下限接近于正确值，可以用屈服下限有效评价连有单个拉杆时节点板的承载能力。在我国，直到1983年前后，重庆钢铁设计研究院会同云南省建筑设计院在昆明作了一系列双角钢杆件节点板的试验和理论分析研究，拟合出连接节点处板件在拉力作用下的强度计算公式和在压力作用下的稳定计算公式。我国《钢结构设计规范》( GB 50017—2003)给出了节点板受压失稳承载力的计算方法，该方法是根据沈泽渊和赵熙元[7]等的研究成果提出的，其适用范围为焊缝连接和双角钢连接轴心受力的节点板。本文以普通建筑钢结构桁架的节点板为研究对象，通过实验测试研究了该类轴心受力节点板的失效模式。
节点板实验测试
节点板试件的结构形式及尺寸如图1所示，腹杆与节点板通过三面围焊的形式连接。加载时节点板底部固定，通过腹杆端部施加向下的轴向荷载，直至节点板发生破坏。
（a）正立面模型设计图 （单位：mm）（b）平面模型设计图 （单位：mm）
图1节点板试件
实验前通过对标准试件的轴向拉伸实验测得了节点板钢材的材料特性，分别为：弹性模量E为2050MPa，屈服强度为298MPa，极限强度为304MPa，钢材伸长率为18.6%。
为了研究加载过程中节点板的应力发展过程，对节点板试件的几个部位黏贴应变花检测加载过程中节点板某些区域的应力变化，应变花黏贴位置如图2所示。
图2应变片黏贴位置
实验测试结果发现节点板的最终失效模式如图3所示。在加载的最后阶段，节点板发生了平面外的失稳破坏。分析节点板加载过程的荷载-位移曲线，可以发现在荷载加载在275kN之前，荷载和位移之间呈现线性关系，此时属于弹性加载阶段。当荷载超过275kN后，荷载和位移之间的关系开始出现非线性段，位移增长很快而荷载增加很慢，此时节点板发生了平面外地屈曲，随着荷载的继续增加，最后节点板失去承载能力。从图4中也可以看出，在发生屈曲前，节点板的位移很小，说明它基本保持平面状态。
图3节点板失效模式 图4 节点板加载过程的荷载-位移曲线
进一步分析节点板上黏贴应变花部位的压应变发展情况，如图5所示。从中可以发现，在荷载达到275 kN前，压应变随着荷载的增加而增大，此时节点板基本处于平面内受压缩状态。当荷载达到275kN时，4个测点的应变突然发生反向增加，说明节点板在此刻发生了失稳状态，失稳造成的节点板弯曲使得应变片承受拉力，所以压应变开始减小。从图5中还可以发现：在失稳状态时，最大压应变不到800，小于节点板屈服应变，说明失稳时节点板尚未发生强度破坏。
图5 节点板几个测点区域压应变的发展
结论
通过对钢桁架中节点板在腹杆受压状态下的失效过程实验测试，发现节点板最容易发生平面外地失稳破坏。因此，相比强度失效而言，平面外稳定是节点板更容易发生的失效模式。
参考文献
[1] Whitmore RE. Experimental investigation of stresses in gusset plates.Bulletin No.16.Knoxwille(TN,USA):Experiment Station,Univ.of Tenn;1952.
[2] Gaylord Jr EH,Gaylord CN.Design of steel structures.New York(USA):McGraw-Hill;1957.
[3 ] Hardin,B.O. “Experimental Investigation of the Primary Stress Distribution in the Gusset Plates of a Double-Plane pratt Truss Joint with Chord Splice at the Jiont,”University of Kentucky,Engineering Experiment Station,Bulletin No.49,September1985.
[4] Vasarhelyi DD.Tests of gusset plate models.J Struct Div ASCE 1971;97(ST2):665-678.
[5] Hardash S.G,Bjorhovde R.New design criteria for gusset plates tension.Eng J AISC 1985;22:77-94
[6] Aage Peter Jensen.Limit analysis of gusset plates in steel single-member welded connections.Journal of Constructional Steel Research, 62(2006):144-150.
[7] 沈澤渊, 赵熙元. 焊接钢桁架外加式节点板静力性能的研究[J]. 工业建筑, 1987(8)19-27页.
关键词：节点板；失效模式；承载力；应力发展过程
中图分类号：TU323.4文献标识码： A 文章编号：
简介
钢结构桁架在厂房、展览馆、体育馆和桥梁等公共建筑中应用广泛，对于其承载力的计算，特别是对于复杂桁架节点的承载力计算是十分重要的，桁架节点的受力性能和破坏形态将直接影响整体结构的安全性。按照“强节点弱杆件”的设计原则，桁架结构破坏时，应是杆件破坏先于节点，这是因为单个杆件破坏还不至于引起整个桁架空间体系的破坏， 而节点特别是复杂节点的破坏则可以引起整个结构的解体， 其后果是不言而喻的。而作为钢桁架中的重点受力部位 -节点板，其连接节点的受力状态将严重影响整个结构的正常工作，故有必要对其进行研究和了解。从国内外关于节点板的研究成果可以看出，节点板的受力性能与其厚度、尺寸大小、受力偏心等几何因素有重大关系，其受压破坏形式大多为节点板局部进入塑性导致发生屈服或在压力作用下节点板发生屈曲破坏。但由于节点板本身连接形式的多样性和受力的复杂性，目前对其受力过程、破坏机理及极限承载能力都还有待于进行更深入的研究。
Whitmore[1]最早提出节点板承载力的计算方法，即有效宽度法，被广泛运用于节点板的设计。该方法能合理计算节点板发生强度破坏时的承载力，但对节点板发生失稳时的承载力估计过高，偏于不安全。随后，在肯塔基大学又进行了两个试验研究。首先，在1957年，由Irvan[2]在Pratt桁架上进行了双面连接的节点板应力研究，研究方法类似于Whitmore的研究，且弦杆在节点处是连续的，起横梁作用。Irvan发现最大拉应力的位置在受拉斜杆的末端附近；最大压应力出现在压力的顶端处；最大剪应力出现在弦杆底部以上的平面上，且最大值在斜杆和竖直杆之间产生。接着在1958年，Hardin[3]在肯塔基大学使用Irvan的方法对有弦杆拼接的Pratt桁架节点板的应力进行了进一步研究，进一步证实了Irvan先前的研究，得出节点板上的最大拉应力区域在拼接弦杆之间。1960年，Masia的试验给出了单个节点板有价值的试验分析。1967年，Davis用计算机程序模拟了Whitmore的试验，进一步证实了Whitmore的结论。1971年，Vasarhelyi[4]使用同样的Warren桁架模型，采用不同的加载试验方法，目的是确定节点板上应力分析的不同试验方法，结果表明，各种不同的分析方法在节点板上出现的应力最大值稍微不同，主要变化是这些最大值的区域。1985年，Hardash和Bjorhovde[5]为了确定节点板的极限强度，他们对做过的大量节点板试验进行了研究分析，在这些研究中发现，桁架受拉连接的节点板开裂穿过最末端螺栓，同时栓孔被拉伸，产生了板块受剪切的情况，这也导致了块体剪切极限强度概念的发展。他们综合考虑所有主要强度参数，得出了合理的节点板计算准则。2004年，Aage Peter Jensen[6]将Mises屈服准则和Tresa屈服准则一起应用推导出焊有单个插板连接的节点板极限强度，并通过试验验证，表明下限接近于正确值，可以用屈服下限有效评价连有单个拉杆时节点板的承载能力。在我国，直到1983年前后，重庆钢铁设计研究院会同云南省建筑设计院在昆明作了一系列双角钢杆件节点板的试验和理论分析研究，拟合出连接节点处板件在拉力作用下的强度计算公式和在压力作用下的稳定计算公式。我国《钢结构设计规范》( GB 50017—2003)给出了节点板受压失稳承载力的计算方法，该方法是根据沈泽渊和赵熙元[7]等的研究成果提出的，其适用范围为焊缝连接和双角钢连接轴心受力的节点板。本文以普通建筑钢结构桁架的节点板为研究对象，通过实验测试研究了该类轴心受力节点板的失效模式。
节点板实验测试
节点板试件的结构形式及尺寸如图1所示，腹杆与节点板通过三面围焊的形式连接。加载时节点板底部固定，通过腹杆端部施加向下的轴向荷载，直至节点板发生破坏。
（a）正立面模型设计图 （单位：mm）（b）平面模型设计图 （单位：mm）
图1节点板试件
实验前通过对标准试件的轴向拉伸实验测得了节点板钢材的材料特性，分别为：弹性模量E为2050MPa，屈服强度为298MPa，极限强度为304MPa，钢材伸长率为18.6%。
为了研究加载过程中节点板的应力发展过程，对节点板试件的几个部位黏贴应变花检测加载过程中节点板某些区域的应力变化，应变花黏贴位置如图2所示。
图2应变片黏贴位置
实验测试结果发现节点板的最终失效模式如图3所示。在加载的最后阶段，节点板发生了平面外的失稳破坏。分析节点板加载过程的荷载-位移曲线，可以发现在荷载加载在275kN之前，荷载和位移之间呈现线性关系，此时属于弹性加载阶段。当荷载超过275kN后，荷载和位移之间的关系开始出现非线性段，位移增长很快而荷载增加很慢，此时节点板发生了平面外地屈曲，随着荷载的继续增加，最后节点板失去承载能力。从图4中也可以看出，在发生屈曲前，节点板的位移很小，说明它基本保持平面状态。
图3节点板失效模式 图4 节点板加载过程的荷载-位移曲线
进一步分析节点板上黏贴应变花部位的压应变发展情况，如图5所示。从中可以发现，在荷载达到275 kN前，压应变随着荷载的增加而增大，此时节点板基本处于平面内受压缩状态。当荷载达到275kN时，4个测点的应变突然发生反向增加，说明节点板在此刻发生了失稳状态，失稳造成的节点板弯曲使得应变片承受拉力，所以压应变开始减小。从图5中还可以发现：在失稳状态时，最大压应变不到800，小于节点板屈服应变，说明失稳时节点板尚未发生强度破坏。
图5 节点板几个测点区域压应变的发展
结论
通过对钢桁架中节点板在腹杆受压状态下的失效过程实验测试，发现节点板最容易发生平面外地失稳破坏。因此，相比强度失效而言，平面外稳定是节点板更容易发生的失效模式。
参考文献
[1] Whitmore RE. Experimental investigation of stresses in gusset plates.Bulletin No.16.Knoxwille(TN,USA):Experiment Station,Univ.of Tenn;1952.
[2] Gaylord Jr EH,Gaylord CN.Design of steel structures.New York(USA):McGraw-Hill;1957.
[3 ] Hardin,B.O. “Experimental Investigation of the Primary Stress Distribution in the Gusset Plates of a Double-Plane pratt Truss Joint with Chord Splice at the Jiont,”University of Kentucky,Engineering Experiment Station,Bulletin No.49,September1985.
[4] Vasarhelyi DD.Tests of gusset plate models.J Struct Div ASCE 1971;97(ST2):665-678.
[5] Hardash S.G,Bjorhovde R.New design criteria for gusset plates tension.Eng J AISC 1985;22:77-94
[6] Aage Peter Jensen.Limit analysis of gusset plates in steel single-member welded connections.Journal of Constructional Steel Research, 62(2006):144-150.
[7] 沈澤渊, 赵熙元. 焊接钢桁架外加式节点板静力性能的研究[J]. 工业建筑, 1987(8)19-27页.