圆钢管结构翻译

1、1 介绍自然界中许多例子都证明了圆形中空截面作为一种结构形式在受压、受拉、受弯和受扭时的出色性能。并且，在承受风荷载、水荷载和重复荷载时，圆形中空截面被证明是结构的最佳形态。圆形中空截面用一种极具吸引力的建筑形式把这些特性结合在一起。由中空截面构成的结构比起同等面积的外露截面结构拥有更小的表面积。因此，没有尖角的组合，从而产生较好的腐蚀保护性。这些出色的性能带来了采光性极佳，只有少数简单节点的开敞式设计，这种设计能够省略节点板和加筋板。由于节点强度受构件几何特性影响，只有当设计者充分了解节点性能并且在概念设计中加以考虑，才能得到最优的设计。虽然中空截面的单位材料成本比开口截面要高，但是可以通过

2、更轻的结构重量，更小的涂料防腐面积和应用没有加固构件的简单节点带来的成本的降低来弥补。很多应用中空截面的结构例子说明了管状结构在经济上可以与开口截面设计竞争，详见第二章节。在过去的35年里钢管结构委员会在管状结构领域开展了众多研究项目，例如稳定性、防火性能、风荷载、复合结构以及节点的静态和疲劳性能等方面。这些研究成果已经被广泛报道并且和CIDECT专论中的背景知识一起被纳入许多国家和国际设计议案中。最初，这些研究项目都是实验和分析相结合的研究。如今，许多项目都可以使用数字化手段来解决，计算机的使用为进一步了解结构性能开辟了新的可能。设计者充分了解这些性能和注意到各种结构性能参数的影响是非常重要

3、的。这本使用的设计指南展示了在考虑各种影响因素的情况下，以承受静荷载为主的管状结构的最佳设计方式。本设计指南主要讲述格构梁和桁架的极限状态设计。不仅给出了节点阻力公式，而且用图表形式将节点阻力表现出来，这样一来设计者在概念设计时就能够快速的了解。该图表形式还允许计算机在事后进行快速检查。单面节点设计规则满足欧盟、北美、澳大利亚、日本和中国所使用的安全规程。本设计指南是第二版，用同样的标题取代了于1991年由CIDECT发表的第一版。这里给出的设计建议虽然有重叠的范围但是都符合国际焊接学会小组委员会2008年制定的最新程序。自从本设计指南在1991年首次出版（Wardenier等，1991），进

4、一步的研究成果变得可行，并且基于这些成果和进一步的研究分析，设计强度公式在2008年的IIW规程中已经做了修改。但是这些修改还没有被列入各个国家和国际规范当中去，例如欧洲规范3。这些国家和和国际规范中的公式依旧是基于以前，即1986年版的IIW规程。一般来说，设计者必须遵循规范中的设计要求，另一方面，研究人员和教师也要遵循最新的发展。在这本CIDECT的第一指南中，第一至第九章的公式和例子都符合2008年内的IIW最新规程。然而第十章中给出的是以前的1986年版IIW规程。Zhao等人详细描述了2008年版公式与以前公式的不同，以前的公式被应用与第一版的设计指南、欧洲规范3和其他许多规范中。并

5、且，在附录A中给出了新旧IIW规程的比较，在附录B中给出了新IIW规程与API设计公式的比较。1.1 设计理念和极限状态在设计管状结构时，设计者从一开始就考虑到节点性能是非常重要的。在设计构件的时候，比如设计一个梁，仅仅只考虑构件承受的荷载可能会导致不理想的节点强化。但是这并不意味着在概念设计阶段就要对节点进行详细的设计。这只是表示弦杆和支撑杆件中的主要控制节点能够提供足够的强度以及合适的制造成本。设计工作总是在各种不同的要求之间进行折中，例如静态强度、稳定性、在材料使用、制造和维修上的经济性等，这些要求往往是互相冲突的，设计者必须对自己的选择有清晰的认识。在常见的晶格结构（例如桁架）中，大约

6、50%的结构自重由受压弦杆承受，大约30%的自重由受拉弦杆承受，另外20%则由腹杆或者支撑杆件来承受。这意味着相对于结构自重来说，受压弦杆应该进行优化来产生薄壁截面。然而，为了防腐涂装，外表面积应该减至最小。此外，节点强度随着弦杆宽厚比d0/t0的减小而增长，也随着弦杆厚度与支撑杆件厚度之比t0/ti的增长而增长。因此，受压弦杆最终的直径与厚度比值会在构件抗弯强度和接头强度之间进行折中，并且通常会选择相对较大的截面。对于受拉弦杆，宽厚比d0/t0选择的越小越好。在设计钢管结构时，设计者必须认识到结构的成本是严格受到制造成本控制的。也就是说切削、端部制作以及焊接工作的成本必须减到最小。为了和其他

7、钢管构件相连接，端部轮廓的切割通常是由自动火焰切割完成的。当然，如果没有这样的设备，也还有其他的方法，例如CIDECT设计指南第七章（Dutta等，1998）中提到的单面、双面或者三面切割。这本设计指南写的是极限状态下的设计形式（也被称为LRFD或者美国负荷和阻力因素设计）。也就是说设计极限荷载（特定的或者非设计荷载乘以相应的荷载系数）的影响不能超过节点的设计承载力，在本设计指南中被称为N*或者M*。通常，节点的设计承载力表达式已经包括了合适的材料和节点部分安全系数（）和节点承载力（或能力）系数（）。这样做是为了避免解释上的错误，因为一些国际钢结构规范用的值1.0作为分界（例如欧洲规范3（CE

8、N，2005a，2005b），而其他国家则使用的值作为乘数（例如北美，澳大利亚和南非）。通常，的值与是非常接近的。本设计指南中出现的一些连接元件，例如板材、螺栓和焊缝，都不是中空截面所特有的，需要按照当地或者地区的钢结构规范来设计。因此，额外的安全或阻力系数只有在特别注明的时候才能使用。如果是在容许应力设计和工作应力设计的情况下，则本书给出的节点极限状态设计表达式需要额外添加一个合适的荷载系数。2005年的美国钢结构协会指出该值取1.5为最佳。本设计指南中的节点设计是基于极限状态，相应于“最大承载力”状态。后者被IIW小组委员会在2008年采纳的标准中定义，如下：A) 节点的极限强度B) 对应

9、于极限变形的极限荷载通常，在上述（B）中CHS连接面外的变形被定为极限形变（Lu等人，1994），它相当于CHS连接面直径的3%。这有助于在设计和使用两种荷载水平上控制节点变形，这对于一些有着高度灵活性的节点来说是非常重要的。一般来说，极限变形限制也将节点的使用荷载下形变限制在了0.01d0以内。本设计指南中一些针对CHS节点的设计条款是基于二十世纪七十年代所做的实验，尽管这先于变形限制和究竟哪里会超过极限变形的引入，这些设计公式已经在实践中被证明是可行的。1.2 适用范围1.2.1 材料限制这本设计指南同时适用于热轧和冷弯空心型钢，以及冷弯应力消除空心型钢。空心型钢的屈服强度不得超过460M

10、pa。这里的屈服强度指的是成品管材，并且不应该超过0.8fu。本设计指南中给出的节点阻力是针对于屈服强度达到355的空心型钢。对于屈服强度超过该值的，本设计指南中的节点阻力应该乘以0.9。一方面，这条规定考虑到了屈服强度在450至460之间的节点的相对较大的变形，同时CHS截面产生塑性变形（对于大的比，这显得有些保守了）。另一方面，屈服强度达到355的节点变形能力会降低。此外，用于计算的“设计屈服应力”不应该比0.8倍的极限抗拉强度高。这条规定保证了在冲切剪切破坏或者支撑和板的局部屈服破坏下都有足够的连接延性，因为这些破坏形式的强度公式都基于屈服应力。对于S460空心型钢，0.9倍的折减系数结

11、合fy至0.8fu的限制，可以使节点阻力下降大约15%，相当于直接使用屈服应力为460的型钢（Liu和Wardenier，2004）。一些规范，例如欧洲规范3（CEN，2005b）给出了使用S690钢材的额外规则。这些规则规定了有局部加强节点结构的弹性整体分析。此外，节点折减系数应该是0.8而不是S460钢材用的0.9。管的热镀锌或者管状结构的焊接部分产生了构件和装配部分的局部瞬时应力消除。除了在镀锌之前必须考虑和进行补偿的潜在变形，所选择的钢材还要适合于镀锌（仅限于硅含量有限的钢材）。1.2.2 几何参数限制本设计指南中的大部分节点阻力公式都有特定的“有效性范围”。这表示了通过实验或者数字化

12、研究验证的公式中参数和变量的范围。在某些情况下，它代表着可以被控制的破坏形式的边界条件，这使得设计过程变得简单。在本设计指南中，每个节点类型都给出了合适的限制范围，一些几何约束会在本节进行深入讨论。节点参数在指定的有效范围之外也是允许的，但这会导致节点使用率降低，一般都需要大量的工程判断和验证。空心型钢最小的壁厚是2.5mm。设计者应该了解有以下管件制造规范对于壁厚的要求比较宽松（例如ASTM A500（ASTM，2007a），他们提倡在结构设计计算时使用特殊的“设计厚度”。对于弦壁厚超过25mm的CHS要采用特殊的措施来保证厚度方向的性能是足够的。当CHS的支撑杆件和弦杆焊接在一起的时候，它

13、们之间的夹角不能小于30度。这是为了保证焊缝的牢固。但在某些情况下，这个要求可以忽略，但是必须要事先咨询制造商并且所采用的设计强度不应该比夹角为30度是的强度高。在带缝隙K型节点中，为了保证足够的间隙以形成良好的焊缝，相邻两根支撑杆件的间隙至少应该等于杆件厚度之和。在重叠型的K节点中，平面内的重叠面积应该足够大才能保证支撑杆件之间有效的连接，从而使剪力能够在两根杆件之间充分传递。确保至少25%的重叠可以达到上述要求，重叠形式见图1.1中定义。如果重叠的支撑杆件宽度不一样，那么窄的那根应该覆盖在宽的那根上面。如果重叠的支撑杆件有相同的直径但是厚度或者强度等级不同，强度等级或者厚度小的那根应该覆盖

14、在大的那根上面。图1.1 重叠示意图在间隙和重叠K型节点中，如图1.1、1.2，对偏心距e做出了限制，e的正值表示从弦杆向桁架外侧的偏移。在最新的IIW（2008）规定中规定了偏心距。偏心距的影响应该在弦杆的应力函数中有所考虑。当偏心距超过时，应该同时考虑弯矩对接点和支撑杆件的影响。在章节10中讨论的本设计指南第一版中的IIW规定（1989）给出的偏心距范围是，在这个范围内，节点设计时节点偏心距的影响可以被忽略，因为对节点承载能力的影响已经在第10章给出的经验或半经验公式中考虑了。任何偏心距e产生的弯矩都应该在构件设计时加以考虑，从而把弦杆设计成为梁柱。参照图1.2，间隙g、重叠q和偏心距e都

15、可以由公式1.1和1.2（Packer et al., 1992; Packer and Henderson, 1997）计算出来：需要注意的是公式1.1中间隙g的负值对应于重叠q。需要注意的是上式中的g在负值的时候对应重叠q。 a)间隙型节点 b）偏心距为正值的间隙型节点 c）偏心距为负值的部分重叠节点 d)偏心距为负值的完全重叠节点 图1.2 偏心距1.2.3 节点类别限制节点等级给出了横截面承载力和变形能力受到其局部屈曲能力限制的范围。例如，欧洲规范3（CEN，2005a）给出了CHS宽厚比的三种限制以及四种类别。对于中空截面结构或者中空和开放组合型截面，节点的设计规则受到类别1和2的限

16、制；因此只有这些限制（根据欧洲规范3）在表1.1中给出。在其他标准里，略微不同的值也在被使用。1.3 术语和符号本设计指南使用了CIDECT和IIW所承认的术语来定义节点参数。术语“节点”代表了两个或者更多构件相连接的区域；而“连接”表示两个或者更多元件相遇的地方。穿过节点的构件称为“弦”，附在弦杆上的构件称为“支撑”（后者也经常被称为撑杆、分支构件或网状构件）。节点、连接、支撑这样的术语遵循欧洲规范3（CEN，2005b）的要求。 表1.1 欧洲规范3（CEN，2005a）中的类别限制对于所有热轧型和冷弯型方钢管，保守地假设（由AISC(2005)和Sedlacek等人完成）。图1.3展示了

17、一些间隙型和重叠型单面K型节点中常见的符号。所有符号和缩写的定义会在12章中给出。图1.3中展示的符号的数字下标表示中空截面连接件。下标0表示表示弦杆（或者“引穿构件”）；下标1一般表示T、Y或者X节点的支撑杆，它也表示K和N节点中的受压支撑杆件；下标2表示K和N节点中的受拉支撑杆件。在重叠型K和N节点中，小标i表示覆盖在上面的支撑构件（见图1.1）。 图1.3 中空截面节点的一般符号1.4 几何和机械误差对节点设计强度的影响1.4.1 设计强度的确定在确定设计强度的分析中，表1.2所列出的均值和参数的变化反映了尺寸、几何以及机械性能（IIW，2008）。如果中空截面使用了均值或者误差过大，那

18、么值得注意的是最后的设计值可能会受到影响。 表1.2 几何和机械误差对节点设计强度的影响1.4.2 交付标准不同国家的交付标准由于厚度和质量误差会与相当大的偏差（Packer，2007）。在大多数国家，除了厚度误差外还会给出质量误差，这限制了极端偏差的出现。然而，在一些生产标准中，厚度误差是不能够被质量误差补偿的见ASTM A500（ASTM，2007a）。因此出现了考虑这一点的相关设计规范，方法是指定一个是额定厚度0.93倍的“设计壁厚”（AISC，2005），在加拿大甚至使用了0.9倍的额定壁厚作为ASTM A500空心型材的设计壁厚。然而，ASTM A501热轧型空心型材已经把质量误差收

19、缩至-3.5%并且没有厚度误差，这样一来和额定误差差不了多少。在加拿大冷弯型产品标准CAN/CSA G40.20/G40.21 (CSA, 2004) 中，厚度有-5%的范围，质量有-3.5%的误差范围。在澳大利亚AS 1163（澳大利亚规范，1991）中，厚度误差为10%，并且质量误差为-4%。在欧洲规范 EN 1993-1-1 (CEN, 2005a)中，额定厚度在设计中被使用，并且厚度误差可以由质量误差补偿。例如表1.3中列出的EN 10210 (CEN, 2006a)规范里热轧型空心型材的允许误差和EN 10219 (CEN, 2006b)里冷弯型空心型材的允许误差。 表1.3 热轧型

20、和冷弯型空心型材的允许误差这些厚度误差不仅对截面性能有影响，也对节点的性能有所影响。考虑到节点性能标准是的函数，稍微大一点的误差（例如ASTM A500）就会对节点性能造成很大的影响。因此，在这些情况下应该考虑更小的设计厚度或者是附加因子，正如美国规范中多用到的那样。如果厚度误差是由质量误差所控制，那么实际的限制决定是否额定厚度可以被用作设计厚度。此外，如果这些误差与其他同种钢型材的值相似或者较小，那么程序可以是一样的。在澳大利亚或者加拿大，对厚度和质量的要求是可以把额定厚度当做设计厚度。这对于ASTM A501热轧型空心型材同样适用。欧洲规范对于误差的要求，尤其是要求较小的厚度，会对节点性能

21、造成影响。另一方面，厚度较小的节点往往有这较大的屈服强度均值和较大的焊缝，这会使小尺寸样品有更好的性能，如图1.4所示，(van der Vegte et al., 2008b)，这弥补了厚度负误差的影响。图1.4 小尺寸试样中的大焊缝引起的管状节点尺寸效应（van der Vegte et al., 2008b) 屋顶有拱形支撑的足球场模型 2 圆形空心型材的应用正如介绍里提到过的，圆形空心型材结合了优异的结构性能和美观的建筑造型。这使得它在建筑物，大厅，桥梁，护栏，桅杆，塔，海上都有所应用，还有一些特殊应用如玻璃房子，射电望远镜，标志门架，护栏，起重机，吊臂，雕塑等（Eekhout，199

22、6;Wardenier，2002）。图2.1至图2.4会展示一些例子。图2.1 圆形空心型材在大厅中的应用图2.2 圆形空心型材在桥梁中的应用图2.3 圆形空心型材在护栏中的应用图2.4 圆形空心型材在海上结构中的应用3 管形桁架设计3.1 桁架构造图3.1中展示了一些常见的桁架种类。华伦式桁架一般来说是最经济的解决方案，因为它具有很长的受压支撑杆件能够充分利用CHS的优秀抗压性能。华伦式桁架跟普拉特桁架相比只有半数的支撑杆件和节点，因此大量节省了劳动力和成本。华伦式桁架的节点可以设置在弦杆的受力点上，如果有必要的话该弦杆上的桁架几何形状可以不规则，甚至该弦杆可以在节点平面外（这样使弦杆受弯）

23、。如果要求在弦杆上的每个受力点都有支撑（例如，要求减少无支撑长度），可以使用图3.1a所示添加垂直杆件的改进型华伦式桁架而不使用普拉特桁架。华伦式桁架更适合使用间隙型节点并且节点的排列更合理。当然，如何可能的话，一个规则的华伦式桁架可以实现适合于机械、电器等行业实际放置的开放式桁架。桁架高度由跨度、荷载以及最大挠度等决定，随着桁架高度的提高，弦杆上的受力减小，支撑杆件的长度随之增加。理想状态下的高跨比在10至15之间。如果考虑整个建筑的总成本，那么最接近15的高跨比就是最佳比值。图3.1 常见的单平面CHS桁架 （a）华伦式桁架（改进式添加垂直杆件） （b）普拉特桁架（图示为一个倾斜的屋顶，也

24、可以有平行的弦杆） （c）芬克桁架 （d）U型框架桁架3.2 桁架分析CHS桁架的弹性分析通常都是假设所有的构件之间是铰接连接的。节点处相交构件的中心线间的节点偏心距最好应控制在。弯矩主要都是由这些偏心造成的，这些弯矩在弦杆构架铰接节点分析设计时都应该被考虑，例如有把弦杆看作是梁柱构件。这需要通过将节点弯矩（支撑杆件水平力分量之和乘以偏心距）按照节点任意端的相对刚度进行分配来完成（即在节点两侧，成比例的惯性矩除以弦杆长度）。对于第十章的性能公式（本设计指南第一版中的公式），当偏心距时，在节点设计时可以忽略偏心弯矩的影响。如果偏心距超出了这个范围，那么偏心弯矩会对节点的强度造成不好的影响，并且偏

25、心弯矩应该在节点各构件之间进行传递分配。如果弯矩被分配到了支撑构件上，那么每个构件必须校核轴向荷载和弯矩之间的相互作用。 图3.2 承受构件设计荷载的平面框架节点假想模型对于大多数的平面、三角形、单弦以及直接焊接桁架都不建议采用刚性节点框架分析，因为这通常会将支撑杆件承受的弯矩放大，并且轴力分布和铰接体系是一样的。在设计弦杆时必须考虑节点平面外的任意弦杆上的横向荷载产生的弯矩。计算机平面框架程序常常被用来做桁架分析。在这种情况下，可以模拟出连续的弦杆，并且支撑杆件以+e或者-e的距离铰接在弦杆上（例如，弦杆中心线至支撑杆件中心线相交点间的距离）。如图3.2所示，和铰接接头相连的杆件都被看做是刚

26、度无穷大。该模型的优点是桁架中弯矩的精确分配是自动完成的，这是为了应对在弦杆设计时需要考虑弯矩的情况。 表3.1 CHS桁架设计中考虑的弯矩由于支撑杆件端部的固定以及弦壁的可活动而产生的次要弯矩对于构件和节点来说一般都是可以忽略的，次要弯矩说明了连接部位在局部屈曲厚有足够的变形和旋转能力来二次分配应力。这就是章节4中设计公式所规定的有效几何限制范围的情况。焊缝尤其需要在失效之前有足够的能力进行应力的重分布，这一点会在3.9部分所给出的建议中得到解决。表3.1总结了设计CHS桁架时需要考虑弯矩的情况。塑性设计可以通过把桁架弦杆看作简支在支撑构件上的连续梁来分析。在这样的设计中，塑性设计的构件必须

27、是塑性设计部分，并且焊缝应该调整使得连接部位支撑构件的性能充分发挥。3.3 受压构件的有效长度为了决定桁架中受压杆件的有效长度KL，有效长度因子K通常保守地取1.0。然而，CHS桁架的受压构件的端部约束通常很大，并且K值已经被证实略微小于1.0（Mouty, 1981; Rondal et al., 1996）。由构件提供的这种约束形成了一种可以被忽略或者是大大削弱的节点，如果所有构件的质量都经过最优化而达到最小值，那么就可以在静态荷载下同时达到极限承载力（Galambos, 1998）。在实践中，最优化设计或者最小质量设计通常都不能同时满足最小成本的要求；支撑构件往往被提供少数标准化尺寸（可

28、能只有两种）来减少桁架截面尺寸的数量。在一种不太可能发生的情况下，即在单一荷载组合下所有的受压支撑杆件受力是相同的，并且在相同的桁架荷载下达到各自的抗压极限，这时有效长度因子应该取1.0。CIDECT赞助并且协助了广泛的研究工作来专门解决中空截面桁架有效长度的确定，并且得到了CIDECT项目3E-3G 和 Monograph No. 4 (Mouty, 1981)。对所有测试结果的重新评审已经开始，以便对欧洲规范3提出议案。这产生了下述的有效长度议案。3.3.1 简化的规定对于CHS弦杆构件：在桁架平面内：KL=0.9倍的L，其中L是弦杆节点间的距离 3.1在垂直于桁架的平面内：KL=0.9倍

29、的L，其中L是弦杆横向支撑点之间的距离 3.2对于CHS支撑构件：在任意平面内：KL=0.75倍的L，其中L是构件节点和节点之间的长度。 3.3这些K值仅适用于环绕整个构件周边的CHS杆件，没有裁剪或者扁平化构件。遵照章节4的节点设计要求会对构件尺寸要求带来更加严格的控制。更多降低K 的值得详细规定见CIDECT设计指南第二版（Rondal et al., 1996）。3.3.2 横向无支撑的长弦杆横向无支撑的长弦杆可以用在人行天桥上，例如U型框架桁架；也可以用在屋架上来承受风荷载。这种横向无支撑的桁架弦杆的有效长度要比无支撑长度小很多。例如，在抬升时受压的下弦杆的实际有效长度，由弦杆上的荷载

30、、支撑杆件的刚度、弦杆的扭转刚度、桁架节点的檩条和檩条的抗弯刚度所决定。支撑杆件在每个节点充当局部弹性支撑。当这些弹性支撑的刚度已知时，受压弦杆的有效长度就可以被计算出来。在 CIDECT Monograph No. 4 (Mouty, 1981)中给出了计算有效长度因子的详细方法。3.4 桁架变形为了检验在规定荷载下桁架整体变形的操作性能情况，假设所有的构件都是铰接情况下的分析将会给出一个相对保守的重叠型节点桁架的变形。理想条件下的重叠情况是具有连续的弦杆以及铰接的支撑杆件。然而，对于间隙连接的桁架来说，由于节点具有很高的灵活性，铰接分析往往还是低估了桁架的总体变形能力。在承受使用荷载时，间

31、隙连接的CHS桁架变形都会被低估大概5%10%。因此，对于间隙连接的CHS桁架来说，保守的方法就是将铰接分析得到的最大变形扩大1.1倍。3.5 一般节点的注意事项设计者对一些条件必须有足够的了解是非常至关重要的，这些条件可以使CHS杆件在没有大面积加固的情况下在桁架节点处连接在一起。如果设计者对于影响节点性能的关键因素没有足够了解的话，低质量构件的选择带来的经济效益会很快消失。1. 弦杆的壁厚应该足够厚而不应该太薄。高强度弦壁能更加有效地承受来自支撑杆件的荷载，并且宽厚比的降低会使节点阻力提高。对于受压弦杆来说，薄壁截面的选择将会对抗弯性能更加有利，因此对于这种杆件来说，CHS壁厚的长细程度将

32、会在抗弯强度和接头强度之间进行折中，而且往往会选择相对敦实的部分。2. 由于节点的性能随着弦杆厚度与支撑件厚度比值增加而增加，因此支撑杆件的壁厚应该较小（除了重叠型节点）。此外，为了通过资格预检，支撑杆件薄壁要求更小的角焊缝（焊接面积正比于t2）。3. 理想情况下，CHS支撑杆件的宽度要比弦杆小，这样使得弦杆节点部分鞍形焊接更加容易。4. 间隙节点（K或者N型）比重叠型使用更加广泛，因为构件更加容易准备，适用性更好，更容易焊接。在好的设计中，最小间隙应该满足才不会使焊缝互相重叠。5. 当使用搭接接头时，重叠构件至少四分之一直径的部分会被覆盖，50%的覆盖面积是最优的。6. 支撑杆件和弦杆之间的

33、夹角小鱼30度将会导致跟部严重的焊接困难，并且不符合那些规定的范围（见3.9部分）。当然，如果是基于30度角设计的，那么夹角小与30度也是可以实现的，制造者已经证明了在这种情况下可以焊出合格的焊缝。3.6 桁架设计步骤总的来说，CHS桁架的设计应该尽可能的按照以下方法来使结构性能更好，更加经济。I、 按照正常的方法确定桁架的布置、跨度、高度、分格长、桁架和横向支撑，但是要确保节点数量最少。II、 确定节点和构件上的荷载，如果是手工分析的话则把它们简化为作用在节点上的等效荷载。III、 确定所有构件中的轴力，通过假设节点是：a）铰接节点并且所有构件的中心线共点；b）弦杆是连续的并且支撑是铰接的。

34、IV、 通过考虑轴力、防腐蚀和筒壁长细比来确定弦杆构件的尺寸。（一般的宽厚比是20到30）受压弦杆设计中有效长度因子K可以取0.9。考虑设计的轧制长度可能会减少弦杆中端接连接。对于大型项目来说可能会需要特殊的长度。因为节点强度取决于弦杆的屈服应力，制作弦杆的钢强度提高（可用，实用时）可能会提供经济效益。必须检查特别要求部分的运送时间。V、 基于轴力来确定支撑构件的尺寸，优先选用厚度比弦杆小的厚度。受压支撑杆件的有效长度因子最初可以假设为0.75。（见3.3.1部分）VI、 将支撑杆件规定在少数可选的尺寸范围内（甚至是两个），以此来减少结构截面尺寸类型的数量。选择构件的时候需要考虑所有截面的可行

35、性。出于美观考虑，所有外露的支撑构件最好具有恒定的宽度，只是壁厚改变；但是这需要生产厂家有特殊的质量控制手段。VII、 布置节点；从节点制造的角度来看，选择间隙型节点最好。确保节点几何形状和构件尺寸满足第4章中给出的尺寸参数的有效变化范围，要特别注意偏心距的极限。在决定节点布置的时候要考虑到节点的制作流程。VIII、 如果节点的抵抗力不够，修改节点布置（例如重叠型取代间隙型），或者适当修改支撑构件和弦杆，再次检查节点的性能。一般来说，需要进行检查的节点是少数。IX、 检查主要弯矩对弦杆设计的影响。例如，确定合适的荷载位置（并非像手动分析时那样使用等效节点荷载）；确定弦杆上的弯矩，假设：a）都是

36、铰接或者b）端部支撑杆件为铰接的连续弦杆。对于受压弦杆来说，需要通过上述任何一种分析假设来确定由微笑偏心带来的弯矩。然后核查在轴力和弯矩的共同作用下所有弦杆的抗性是否足够。X、 检查在适当的受力位置下桁架在规定荷载等级下的变形。XI、 设计焊缝。3.7 拱形桁架拱形桁架的节点设计可以和直弦桁架一样。如果拱形桁架是通过仅在节点处弯曲而成（如图3.3a），那么只要弯曲半径在避免截面发生扭曲的范围内，拱形桁架的弦杆可以看做和直弦桁架一样。如果拱形桁架是由连续的弯曲形成的，在节点之间的弦杆形状是弯曲的，如图3.3b。在这种情况下，构件设计的时候应考考虑曲率并且把弦杆看作梁柱构件。（弯矩=轴力乘以偏心距

37、） 图3.3 拱形桁架3.8 地震设计准则在抗震设计中，节点应该满足与超强有关的额外条件来使构件更牢固。为了获得足够的转动能力，构件至少应该满足表1.1中等级1的要求。有关更加详细的信息见CIDECT设计指导第九部分（Kurobane et al., 2004）。3.9 焊缝设计除了某些具有部分重叠的支撑杆件的K和N型节点外（如下述），焊缝连接应该设置在整个支撑构件的周围，可以使对接焊缝、角焊缝或者两者的结合。任何不需要资格预审的承受支撑杆件荷载的角焊缝在设计时所具有的抗性不能小于支撑杆件自身的承载力。根据欧洲规范3（CEN，2005b），这将产生以下支撑杆件周围角焊缝的最小焊缝厚度“a”。假

38、想匹配电焊条类型和ISO钢筋等级（IIW，2008）如下：图3.4 焊缝细部对于重叠型K或者N节点来说，在100%重叠的情况下，弦杆重叠构件端部的焊缝尤为重要。对于部分重叠构件来说，被覆盖构件的端部不需要焊接，前提条件是支撑构件上力垂直于弦杆的分量之间的差值不超过20%。“贯通构件”的直径应该稍大。如果两根支撑直径相同，那么厚度大的应该覆盖在上面并且贯穿不间断的弦杆。如果两根支撑尺寸一样（外部尺寸和厚度），那么受力更大的那个应该充当“贯穿构件”。如果支撑杆件上垂直于弦杆的力的分量之间差值超过20%，那么贯穿构件周围都应该和弦杆焊接在一起。一般来说，较弱的构件（通过壁厚乘以屈服强度来决定）要附着

39、在较强的构件上，忽略荷载类型的情况下，较小的构件应该固定在较大的构件上。使用角焊缝比使用对接焊缝更加经济。然而，角焊缝中部和下部的尺寸将取决于制造者。大多数的焊接规范只允许时在支撑构件顶部使用角焊缝，本书中给出的节点设计规则的适用性下限为。一些推荐的焊接细节（IIW，2008）见图3.4。4 单面桁架CHS弦杆和支撑杆件之间的焊接节点4.1 节点类别 图4.1 节点基本形式，即T、X和K型节点图4.1展示了节点构造的基本类型，即T、X和K或者N型节点。然而，将中空桁架节点分成T（包含Y）、X或者K（包含N）型并不是根据节点的外观而是根据力在节点上的传递途径来分类的。这种分类的例子见图4.2，定

40、义如下。（a） 当支撑构件上力的垂直分量被弦杆中的剪力（和弯矩）平衡，并且弦杆和支撑杆件垂直时，节点分类为T型，否则为Y型。（b） 当一个支撑构件力的垂直分量被同一侧的另一个支撑构件力的垂直分量基本平衡（20%以内时），节点分类为K型。（c） 当法向力分量沿着弦杆传递并且被另一侧的支撑构件平衡时，节点分类为X型。（d） 当一个节点的支撑构件不在一个平面内时，节点分类为多平面节点（见第6章）。 图4.2 中空截面节点分类举例当支撑杆件按照K型节点传递部分荷载，同时按照T、Y或者X节点传递另一部分荷载时，每根支撑的充足性由每种传递方式下支撑杆件荷载的线性相互作用比例决定。然而，最不利弦杆负载能力下

41、的预加载应该考虑到节点类型中去。从图4.2b中看出，一个K型节点中，支撑杆件上力垂直于弦杆的分量之间相差可达20%，但是仍然被看做是K型节点。这是为了适应在典型桁架中由于一系列的节点荷载而导致支撑构件上力的细微变化。图4.2c所示的N型节点，支撑杆件上力垂直于弦杆的分量的比例为2:1。在这种情况下，这种特殊的节点用该被同时当做K型（支撑力被平衡)和X型（因为角支撑上剩余的力通过节点传动），如图4.3。对于这种特殊节点中的斜拉支撑杆件，需要做一下核查：如果间隙型K（或者N型）节点中的间隙尺寸变大并且超过了允许间隙的最大限度，那么K节点应该被当做两个独立的Y型节点进行核查。在如图4.2e中所示的X

42、节点那样，支撑构件很靠近或者有重叠，节点应该被当做X型节点核查，并且把支撑构件上力的两个分量都看作垂直于弦杆。在如图4.2d所示的K型节点中，支撑杆件上没有或者只有很小的荷载，那么节点可以被当做Y型节点。 图4.3 支撑力不平衡的K节点的核查一些弦杆两侧都有支撑的特殊单平面节点，并且支撑力作用的方式各种各样，处理方法见表4.4。4.2 节点性能公式节点强度通常由两个指标控制，即弦杆横截面的塑性以及冲切，见图4.4。对于T、Y和X节点，节点抗性取决于受压时支撑杆件的强度，当然在受拉时也适用。受拉时的极限承载力通常比受压时的要高。然而，要利用这些额外的强度通常是不太可能的，因为变形较大或者开裂过早

43、。 图4.4 弦杆塑性破坏和冲切破坏模型最近，国际焊接学会小组委员会XV-E已经重新分析了所有的节点强度公式。基于与多个有限元研究相结合的严格检查，新的设计强度公式已经成立了（IIW，2008） 。如今，在标准的有限元模型下，可以进行可靠的参数研究，尤其是针对弦杆的塑性破坏。这些再分析表明了要谨慎使用实验数据库。针对弦杆塑性的新节点强度公式从原则上来说是基于环形模型方法（TOGO，1967）。然而，的影响函数由表示，n的影响函数由表示，这些函数都是使用有限元分析结果中的多元回归分析决定的。简化后的公式已经与由Makino（1996）编制的实验数据库和由钱（2008）等人编制的有限元数据库进行比

44、较。最后，设计强度公式得到了发展（van der Vegte et al., 2008a, 2008b）。为了与以前版本的公式相区别，如表4.1，在介绍上稍微有些不同，这些旧版本公式被纳入许多国家和国际规范中。这种格式与API建议相似（API，2007）：参数给出了参数的影响函数，同时表示了弦杆应力对于节点性能的影响。对于弦杆受冲切的情况，公式和以前版本的基本一样，虽然介绍上面有些许的不同。其中Ka是相对于支撑周边的连接周边的参数，同时是的函数：为了便于表示，X、T以及K间隙型节点在时的函数示于图4.3中。对于这三种节点类型的每一种来说，节点性能随着比值的升高而升高。并且X型节点的值最小，带小

45、间隙的K节点值最大。T型节点的值与带有大间隙的K型节点相同。这些关系与预期的物理性质非常一致。图4.5 T、X和K间隙型节点值得比较（）最新公式和以前的设计指南版本，也是本书第十章提到的，所给出的节点强度公式的最大区别在于，弦杆应力函数现在与最大弦杆应力相关，而在以前，弦杆应力函数是基于所谓的预应力的。另外，再分析表明，在弦杆拉力很大的情况下要考虑节点抗性的降低。在表4.1中，在弦杆连接面上并且由轴力和弯矩产生的总应力比n被计算出来，并且它对节点抗性的影响视情况而定。值得一提的是，弦杆节点上任意一侧的最具惩罚性的应力影响将会被用到。函数在图4.6至4.8中用图形方式展示出来，分别表现了T、Y和

46、X型节点弦杆上的轴向荷载和弯矩，K间隙型节点弦杆的轴力对函数的单独影响。如图4.6和4.7所示，弦杆弯曲压应力对T、X和Y型节点的影响和对弦杆轴向压力的影响是一样的。表4.1中给出的公式的有效性范围和以前设计规范版本中的范围，在本书第十章表10.1中有记录，大致相同。虽然在一些特殊情况下的有效性范围要大一些，IIW-XV-E小组委员会将2比值限定为50（或者等级2），因为对于超过这个值的比例来说，变形可以控制，而在其他情况下变形能力可能不足以分配二次弯矩。4.3 T、Y和X型节点在表4.1中总结的针对T和Y节点的节点强度公式中，由支撑荷载产生的弦杆弯曲的影响现在已经完全包含到函数中了，这样对节

47、点性能做出了更好的阐释(van der Vegte et al., 2006)。以前的弦杆塑性公式（第十章）仅仅基于实验设置的由弦杆弯曲影响的结果。以前的公式中，在的值很小的情况下，X型节点性能比T型节点高是错误的。新的公式给出了较低的值，比以前的强度公式稍微低一点，它符合钱（2005）在厚壁节点上所做的研究工作。钱（2005）更进一步的说明了带有小角度的X型节点，当时弦杆可能发生剪切破坏。4.4 K和N型节点在旧版本的设计指南中，间隙型和重叠型K节点使用的是一个公式（章节10）。然而，在其他的一些参数影响下，间隙型和重叠型K节点形变是不一样的。因此，针对间隙型(van der Vegte e

48、t al., 2007)和重叠型K节点进行了严格的再分析。对于重叠型节点，人们发现它可以和RHS截面之间的重叠型节点用一样的方式加以处理。4.4.1 带间隙的K和N型节点弦杆塑性的新公式相对于间隙函数来说要简单得多。新的设计公式给出的值较低，强度比以前的公式要小（第十章），这与钱（2005）在厚壁节点上所做的研究工作相符合。而且，对于较小的值，新公式给出了更小的结果。以前所使用的数据库中包含了许多比值较小但是焊缝较大的小尺寸试件，这增加了具有较小值和间隙的节点平均极限强度。新的强度公式基于尺寸大但是焊缝小的截面。 CHS三角梁和带板材的螺栓连接节点 表4.1 CHS节点在轴向荷载下极限状态标准

49、 表4.1 CHS节点在轴向荷载下极限状态标准（续） 对于，见1.2.1部分 的限制在表4.2中给出 表4.2 CHS受压时最大比值 复杂的多平面焊接节点 图4.6 T和X节点弦杆轴向应力函数和T节点弦杆弯曲应力函数 图4.7 X节点弦杆弯曲应力函数 图4.8 间隙型K节点弦杆轴向应力函数4.4.2 重叠型K和N节点正如之前所说的，对于重叠型节点来说，现在所有的重叠型节点都是用同一种方法，弦杆可以是圆形、矩形或者开放式截面，与之相连接的可以是圆形或者矩形支撑(Wardenier, 2007)。只有有效宽度参数取决于截面的种类。重叠面积为的圆形中空型材的重叠节点抗性取决于以下标准：（1） 重叠支

50、撑的局部屈服，见方程4.8和4.9。（2） 基于轴力和弯矩的相互用的弦杆构件的局部屈服，公式4.10（3） 支撑和弦杆之间连接的剪力，公式4.11图4.9展示了需要进行标准检查的重叠构件横截面构造。对于K和N型节点，下标i表示覆盖在上面的构件，同时下标j表示被重叠的构件。虽然支撑和弦杆之间的剪力只有在重叠部分较大的时候，即超过60%或者80%，才显得重要，支撑杆件（标准1）的局部屈服还是应该要进行验证，特殊地，有些时候取决于被重叠支撑隐藏的顶端位置是否和弦杆焊接在一起。弦杆构件局部屈服的检查从原则上来说是一个构件的检查，当重叠面积变大或者比值较大时起控制作用。对于100%重叠的构件，也应该要按

51、照相同的标准（公式4.9、4.10和4.12）进行检验。只有在这种情况下，如钱等人所展示的（2007），重叠杆件剪力（公式4.12）和弦杆构件局部屈服（公式4.10）才会起控制标准的作用。虽然建议中给出的是100%的重叠，但实际上重叠部分会稍微大一点以方便构件之间的焊接。 图4.9 进行检查的重叠节点横截面构造应该尽量避免重叠节点的重叠面积在0%到25%之间，因为在这种情况下两个重叠构件之间的连接刚度要比重叠支撑和弦杆之间的连接刚度大得多，这可能导致过早开裂或者较低的性能。 表4.3 重叠型K节点 M0和N0是选择公共部分的（节点的左侧或者右侧），以便产生最大值；其中M0包含了由于偏心产生的弯

52、矩。如果被重叠支撑隐藏的端部没有焊接：并且如果被重叠支撑隐藏的端部焊接：并且对于355N/mm2，见1.2.1部分和的限制在表4.2中给出4.5 特殊的节点结构类型在管状结构中，各种其它连接结构存在在还没有被在该处理前面的章节中。然而，一些类型的接头的强度是可以直接从相关的第4.3和4.4提出的基本类型中找到的。表4.4列出了一些直接焊接到弦的特殊类型的CHS单面关节支撑。 表4.4 特殊类型的单平面节点节点类型和表4.1和4.3中公式的关系公式4.13是来自X方向的节点的公式4.14是来自X方向的节点的是和中的较大值来自K节点，表示实际的弦力来自K节点注意：检查断面1-1在间隙中剪切破坏公式

53、4.15其中4.6带罐节点大直径的CHS是由与一个最大长度等最大板幅的罐制造的。在这些大尺寸的管状部分的结构，它很容易在接合位置使用更大的厚度。这是，例如，通常使用的在海上结构。但是，它也可以用于其他重负荷结构，例如桥梁和大跨度的结构。X接头的短的罐长度被范德Vegte（1995年）数值研究。对于x节点，它表明，其应具有2.5d0最小长度，以便获得基于所述罐厚度的联合能力。对于较小的罐的长度，一个线性内插可用于计算有和没有的罐的接头的阻力。对于这种情况，API（2007）提供了以下等式：因为通过隔膜作用的主要负荷转移的，API允许对于x型相贯节点0.9，一个较小的长度罐到1.5d0为=1.0。然而，相对于数字数据，这项建议在这个设计指南的作者看来有些过于乐观。应用内插函数计算罐长度的方法（方程式4.16）也可以用于对于T和Y接头的计算。对于平衡接头，低级罐长度可由于用来在两个括号的补偿椭圆管的效果。没有实验或数值数据可在K节点计算中应用，但是