1．连接节点的分类

管桁结构的连接节点，一般都是支管与主管相贯焊接而成。这种连接节点称为相贯节点，又被称为直接焊接节点或无加劲节点或简单节点。管件之间的交线为相贯线。

相贯节点是管桁结构的关键部位和罕遇地震下产生能量耗散的部位，节点的破坏往往导致与之相连的若干杆件的失效，从而是整个结构破坏。因此，只有了解相贯节点在低周往复荷载作用下的滞回性能才能正确评价管结构抗震能力，同时才能保证管桁结构设计的可靠性［9］。

（1）弦杆、腹杆及支杆

弦杆——在节点处连续贯通的管件。GB50017-2017［10］称为主管（chord member）。

腹杆——在节点处断开并相贯焊接于弦杆上的管件。GB50017-2017中称为支管（bracing member）。

支杆——空间节点中非主要承重面的杆件称为支杆以区别于腹杆。

（2）相贯节点的类型

表1-1为相贯节点的分类，表1-2为圆钢管相贯节点的基本型式，图1-20为间隙节点与搭接节点的定义［3］，图1-21为节点的不同偏心示意。

表1-1　相贯节点的类型划分

表1-2　相贯节点基本型式示意

图1—20　节点间隙与搭接之定义

图1—21　K节点的偏心

2．相贯节点的加工及拼装

（1）支管端部相贯线坡口加工

目前，国内大型的钢结构生产厂家对管结构支管端相贯线坡口的加工采用六轴联运数控相贯线切割机进行加工［11］，保证了相贯口的切割质量。

最早国内相贯线加工采用人工1∶1放样的办法手工切割相贯线，此方法精度控制差，工效低。用数控相贯线切割机，通过输入参数的方法切割相贯线坡口已成为主流，但如果只靠手工输入参数，则机器的效率不能得到充分利用。目前的六轴联运数控相贯线切割机，贯通了钢管结构CAD和数控切割机之间的信息流，使CAD的数据直接为数控切割机所用，缩短了工期，提高管理水平，加工出符合设计要求的管件相贯线。复杂的钢管桁架结构一般采用国外成熟的三维CAD软件，如SOLIDWORK，INVENTOR等，有些简单的结构件不少厂家仍喜欢用AUTOCAD。要将CAD的钢管结构设计变成实际工程有许多工作要做，通常的做法：将三维CAD的钢管结构设计图转换成二维的标准三视图输出，然后由专业工程师分解二维图纸，计算出每根钢管的相贯关系，并编制出相应的工艺文件提交给加工部门制作。一个钢管结构工程往往由成千上万根钢管组成，错综复杂的相关关系使每根钢管的相贯线数据都不完全一样，工作量非常巨大，而且容易出错。

随着数控技术的发展与计算机技术的广泛应用，数控相贯线切割机生产厂家开发的配套软件也越来越先进，与数控切割机配套的软件可将上述过程全部转由计算机承担。对于三维的CAD设计，软件可自动地从管桁结构的图形文件中提取钢管相贯数据，并对数据进行综合分析和处理，建立管桁结构相贯数据库，输出“相贯钢管信息列表”和“基本节点数汇总表”。对于用AUTOCAD做的设计，软件可提取每根钢管的空间坐标位置，并自动生成三维实体图，同时组建相贯数据库。由计算机代替人工，使工作效率有了质的飞跃。在软件中有一个图表对照的基本画面。看图能查到表的信息，查表能看到图中的实体，钢管的相贯关系，一目了然。软件最终可生成相贯线切割文件，该切割文件可通过网络，移动U盘输入切割机，操作工只需输入管件号就能指令机器实施切割。所以相贯口的加工质量与精度基本能够保证。图1-22为六轴联运数控相贯线切割机的加工过程，图1-23为加工后的成品构件。

图1—22　相贯口加工

图1—23　相贯口形式

（2）相贯接头连接焊缝计算及焊接要求［2］

①相贯节点焊缝连接形式

相贯节点处的相贯线是不断变化的空间曲线，因此同一相贯口的坡口、空隙也随之变化，相贯口的相贯焊缝的形式也在变化，按相贯焊缝质量等级的不同，将相贯焊缝分为A区（趾部）、B区（边部）、C区（根部）三个区域（如图1-24）［1］。一般支管的壁厚不大，其与主管的连接宜采用全周角焊缝。当支管壁厚较大时（6mm），宜沿支管周边部分采用角焊缝、部分采用对接焊缝。具体来说，凡支管外壁与主管外壁之间的夹角α≥120°的区域宜采用对接焊缝或带坡口的角焊缝，其余区域可采用角焊缝。由于全部采用对接焊缝在某些部位施焊困难，故不予推荐。

图1—24　相贯线焊缝位置分区

当A、B、C各区均采用角焊缝时，其形式如图1-25所示；当A、B两区采用对接焊缝而C区采用角焊缝（因C区管壁交角小，采用对接焊缝不易施焊）时，其形式如图1-26所示。各种焊缝均宜切坡口，坡口形式随支管壁厚、管端焊缝位置而异。当支管壁厚小于6mm时，可不切坡口［2］。

②角焊缝的焊角尺寸及计算厚度

1）角焊缝的焊脚尺寸

图1—25　A、B、C区均为角焊缝的形式

图1—26　部分为对接焊缝部分为角焊缝的形式

角焊缝的焊脚尺寸，若按普通钢结构焊缝最大焊脚尺寸的规定应不大于1．2t。但对钢管结构应予放宽。因为焊脚尺寸较小时，受拉支管将会由于焊缝不足而需加大壁厚，使钢材用量增加，失去直接焊接钢管结构的优势。为确保焊缝承载力大于或等于节点承载力，现行钢结构设计规范根据实践经验并参考国内外有关研究成果，将角焊缝的最大焊脚尺寸放宽到可等于支管壁厚的2倍，即支管与主管连接的焊脚尺寸Af＜2ta。一般支管的壁厚较小，且属单面施焊，管件端部焊接后的收缩应力不大，只要焊接工艺合理，就不会严生过大的残余应力和“过烧”现象。

2）焊缝的计算厚度

由于圆管结构支管与主管间连接焊缝相贯线焊脚边的夹角是变化的，因而其圾口角度、焊根间隙等都是变化的。对接焊缝的焊根又不能清渣及补焊，因此焊缝的计算厚度沿支管周长实际是变化的，若要精确计算比较复杂。为方便计算，支管与主管的连接焊缝不论采用角焊缝、对接焊缝或带坡口的角焊缝，都可视为全周角焊缝按正面角焊缝公式进行计算。

焊缝的有效厚度he沿长度也是变化的。设第Δli段的有效厚度为：

式中：αi为第Δli段中点处，支管外壁切平面与主管外壁切平面的夹角。

沿焊缝长度，有效厚度的平均值为

C为平均值系数，其值与di／d和θ有关。经计算分析，当支管轴线与主管轴线夹角θ＜60°时，C值均大于0．7；当θ＞60°时，C值一般小于0．7，最低为0．6079。考虑到θ＞60°的情况，焊缝已有正面角焊缝的性质，若考虑正面角焊缝强度的提高系数βf或βfθ，则平均C值均略大于0．7。因此当支管轴心受力时，圆管端部焊缝有效厚度的平均值可取为0．7hf。

焊缝连接强度的计算方法与普通角焊缝相同，但应取正面角焊缝强度增大系数βf＝1。

经过计算分析，当采用的角焊缝焊脚尺hf满足下式的要求时，可认为与基本金属等强。(www.daowen.com)

③焊缝的计算长度

1）圆管结构的焊缝计算长度

对于圆管结构，支管端部焊缝的长度实际上是支管与主管的相交线长度。因主、支管均为圆管的节点焊缝传力较为均匀，焊缝的计算长度可取为相交线长度，该相交线是一条空间曲线。若将曲线按其对称性质分为2n段，微小段取空间折线代替空间曲线。则焊缝的计算长度为：

ks称为相交线率，它是支管直径ds与主管直径d之比和夹角θ的函数

式中：θ为支管轴线与主管轴线的夹角，φ为相交线的平面角

用数学方法求出ks后，再经回归分析，同时考虑到焊缝传力时的不均匀性，取焊缝的计算长度lw均不大于相交线长度。得到圆管结构焊缝计算长度lw的简化计算公式为：

当di／d≤0．65时

当di／d＞0．65时

式中：d、di为主管和支管外径；θi为支管轴线与主管轴线的夹角。

2）矩形管节点的焊缝计算长度

矩形管节点支管与主管的相交线是直线，计算方便，但对于有间隙的K形和N形节点，当支管与主管轴线的夹角θi较大（≤60°）时，支管截面中垂直于主管轴线的侧边受力是不均匀的，靠近主管侧壁的部分，支承刚度较大，受力较大，远离主管侧壁部分，支承刚度较小，受力也较小。但当θi角较小（≤50°）时，主管对支管截面各部分的支承刚度比较均匀，可认为相贯线全长参加工作。因此连接焊缝的计算长度可根据支管与主管轴线间夹角θ大小，分别按下式计算：

当50°＜θi＜60°时，可按插值法确定。

对于T形、Y形和X形节点，偏于安全计算，不考虑支管宽度方向的两个边参加传力，焊缝计算长度可取：

式（1-8）（1-9）（1-10）中的hi、bi分别为支管的截面高度和宽度。

当为搭接的K形和N形节点时，应考虑搭接部分的支管之间，其连接焊缝能可靠地传递内力，与管之间的连接焊缝可根据实际情况确定。

当支管为圆管、主管为矩形管时，焊缝计算长度取为支管与主管的相交线长度减去di。

④相贯节点焊接方法

电弧焊基本上是所有的管桁结构接头的主要焊接方法。一般管桁结构的连接接头在工厂进行加工，然后散件运到工地进行拼装，所以现场手工电弧焊（SMAW）是基本的焊接方法。一个优质的焊接接头除了考虑主体金属、接头形状、焊接过程、焊接位置、焊条、保护气体、焊药、坡口角度、根部间隙、根部表面、电压、电流、焊接速度、可能的预加热与焊后保温、焊接次数及装配公差等外，还得加强管理，注重焊工的素质。由于相贯线焊缝属于6G（全方位）焊接，需要经过专门培训的焊工。施焊焊工应持有行业指定部门颁发的焊工合格证书，严格持证上岗从事与其证书等级相应的焊接工作；持证焊工无论其何种原因，如中断焊接操作连续时间超过半年者，该焊工再上岗前应重新进行资格考试［12］-［13］。

⑤节点处连接焊缝损伤

管桁结构直接焊接搭接型相贯节点中，荷载经焊缝在节点处传递，焊缝材料性能将影响节点抗震等力学性能。图1-27为连接节点处焊缝常见形式，存在对接焊缝和角焊缝，支管搭接部分与主管连接处隐藏焊缝存在焊与不焊两种情况，图1-27a、b中标明了隐藏焊缝位置。隐藏焊缝往往会给焊接施工带来一定困难，若不焊会对节点承载力造成一定影响，相关研究［14］通过对隐藏焊缝不焊节点进行加强取得了一定成果，并可进一步对焊缝材料性能进行研究，为改进焊缝连接可靠性做好理论储备。

图1—27　管桁结构节点处焊缝

损伤指由于变形体内部细观结构的缺陷引起的结构和材料性能发生劣化的程。宏观连续介质理论认为损伤是微细结构状态的一种不可逆的、耗能的演变过程［15］。受焊接过程的影响，焊缝处不可避免存在许多微孔洞、微裂纹等缺陷，使得其材料性能发生了劣化，与母材相比，发生了更为严重的微观损伤。在循环荷载作用下（如地震荷载），微缺陷不断扩展，材料性能进一步逐渐发生劣化，每一周循环荷载作用下的损伤不断累积，最终导致了材料的破坏。尤其受到大于屈服强度的荷载时，材料产生不可恢复塑性变形，不断发生塑性应变累积，刚度变化，循环滞回环能量耗散累积，最终焊材的破坏是损伤不断累积的结果。

钢管桁架结构直接焊接节点的连接方式中常见对接焊缝和角焊缝。焊缝间钢管截面形式多样，相贯连接方式复杂，支主管厚度存在差异，焊缝连接形式、焊缝质量、焊材及热影响区材料性能直接影响节点力学性能，尤其是在承受地震荷载时。对接焊缝连接时两端构件位于同一平面，由于传力较为均匀和平缓，应力集中现象不明显。而相比之下，角焊缝连接构造相对复杂，传力不够均匀，焊缝间易产生间隙，导致应力集中现象明显，当用于承受动力荷载的结构时会对构件疲劳强度产生影响［16］。图1-28为焊接过程中产生于焊缝金属或附近热影响区钢材表面或内部常见的焊缝缺陷，通常有裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑、气孔、夹渣、咬边、未熔合、未焊透等，裂纹是焊缝连接中最危险的缺陷。

图1—28　常见焊缝缺陷

（3）相贯节点的拼装

构成管桁结构的主、次杆件，一般都是工厂加工成型，然后散件运抵现场进行拼装。结构拼装的焊接顺序不但影响结构的安全性，也影响着建造成本。

图1—29　管桁结构的现场拼装

管桁结构在拼装时，先在拼装胎架上将所有的杆件进行点焊定位，然后通过对称焊接等方法对所有的相贯线焊缝进行焊接，这是一种施工中经常采用的经济效益好的拼装方法（图1-29）。从管桁结构连接节点的制造成本可以看出，间隙节点最低，然后是完全搭接节点，部分搭接接头的成本最高。从节点的受力性能进行分析，与间隙节点相比，搭接节点具有较高的静力强度与疲劳强度，但搭接节点成本较高，尤其是当搭接节点的隐藏焊缝需要焊接时，先点焊定位拼装的办法几乎是行不通的，即使要实现的话，施工成本会节节攀升。对于土木工程中的管桁结构，搭接节点的搭接率尽量降低，在保证结构安全性能的前提下，隐藏焊缝尽量不焊接，从而加快施工进度，提高结构的使用效率。这也是本次研究的初衷。

3．K型、KK型圆钢管搭接节点主要性能参数

影响搭接节点承载力及滞回性能的几何参数主要有主管外径d，主管厚度t，支管外径d1，支管厚度t1，搭接率Ov，主、支管夹角θ。图1-30、图1-31为K型及KK型搭接节点的参数标注示意［17］。为了便于研究，一般采用以下无量纲几何参数［18］：

图1—30　K型搭接节点基本构造

β（＝d1／d）——支、主管管径比（也称荷载传递因子），反映载荷传递和应力分布。

γ（＝d／2t或d1／2t1）——径厚比，反映主管（或支管）径向刚度。

τ（＝t1／t）——支主管厚度比，反映支管与主管相对弯曲刚度。

可以看出，直接相贯连接的管桁结构与采用其他节点形式的钢管结构相比，一个显著的区别在于杆件和节点设计的独立性减小，在决定了杆件材料与几何特性的同时也决定了节点的工作性能。合理的节点设计应该是寻求杆件和节点力学性能的最佳结合点。

图1—31　KK型钢管节点基本构造