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装配式连接节点是大跨度装配式单层空间网壳结构体系的关键组成部分。提出了一种适用于大跨度单层网壳结构的十字形板装配式节点。该节点由圆钢管、十字形钢板、角钢、矩形连接盖板、圆盖板和高强螺栓组成，其中圆钢管、盖板、十字形钢板在工厂完成焊接，现场将十字形板和角钢、矩形盖板用高强螺栓进行连接。该节点通过设置角钢、矩形连接盖板与十字形钢板之间的螺栓连接构造，在节点承受弯曲荷载时，角钢和矩形连接盖板能够首先承担弯曲荷载，从而减少节点内侧十字形钢板的塑性损伤，同时有效提升节点的抗弯性能。利用有限元模拟方法构建了新型连接节点的精细化有限元模型，系统分析了十字形钢板厚度、角钢厚度等关键变量对节点平面内与平面外抗弯性能的影响规律。通过对各组成部分尺寸的参数化研究，明确了各因素对新型连接节点平面内外抗弯性能的影响规律。研究结果表明，采用角钢与矩形盖板相连接形成的十字形节点在抗弯刚度和承载力方面均表现出优异的性能。通过调节十字形板厚度、螺栓数量以及角钢和盖板的厚度，可以有效调控节点的初始抗弯刚度和抗弯承载力。同时，基于刚性节点设计方法对该半刚性节点进行了理论设计，结果表明该方法可以保证节点弯矩设计值基本达到圆钢管的屈服弯矩，满足设计要求，有效提高节点的安全性。
English Abstract
Assembly joints are crucial to large-span prefabricated single-layer spatial grid shell structures. This paper proposes a cross-shaped plate assembly joint suitable for large-span single-layer grid shell structures. The joint consists of circular steel pipes, cross-shaped steel plates, angle steel, rectangular connection cover plates, circular cover plates, and high-strength bolts. Circular steel pipes, cover plates, and cross-shaped steel plates are welded in the factory, while cross-shaped plates, angle steel, and rectangular cover plates are connected using high-strength bolts on-site. By setting angle steel, rectangular connection cover plates, and cross-shaped steel plate bolt connections, when the joint is subjected to bending loads, angle steel and rectangular connection cover plates can initially bear the bending loads, thereby protecting the cross-shaped steel plates inside the joint from damage and enhancing the bending resistance of the joint. Utilizing finite element simulation methods, a finite element model of the new connection joint was constructed, and the effect of variables such as the thickness of cross-shaped plates and angle steel on the bending resistance of the joint in-plane and out-of-plane was analyzed. Through parametric studies of the dimensions of each component, the influence of these factors on the in-plane and out-of-plane bending resistance of the new connection joint is determined. The research results show that the cross-shaped joint formed by connecting angle steel with rectangular cover plates exhibits excellent performance in terms of bending stiffness and load-bearing capacity. By adjusting the thickness of the cross-shaped plate, the number of bolts, and the thickness of angle steel and cover plates, the initial bending stiffness and bending load-bearing capacity of the joint can be regulated. Meanwhile, based on rigid joint design methods, theoretical design of the semi-rigid joint was conducted, and the results show that this method can ensure that the design bending moment of the joint basically reaches the yield bending moment of circular steel pipes, fulfilling the design specifications and enhancing joint safety.
一、大跨度单层网壳结构的发展与装配化需求
大跨度空间钢结构是近年来发展最为迅速的结构类型之一，广泛应用于体育场馆、会展中心、航站楼、大型工业厂房等公共建筑中。单层网壳结构因其受力合理、自重较轻、建筑造型丰富等优点，在大跨度空间结构中占据着重要地位。随着我国经济社会的持续发展和大型公共基础设施建设的不断推进，对大跨度单层网壳结构的需求日益增长，同时对其施工效率、质量控制和全生命周期性能也提出了更高的要求。
在此背景下，装配式建造技术在大跨度空间钢结构中的应用成为重要的发展方向。装配式建造的核心在于将大量的现场焊接作业转移至工厂完成，构件在工厂预制后运至施工现场进行快速装配，从而显著缩短施工周期、减少高空作业量、提高施工质量的一致性，同时降低对环境的负面影响。然而，装配式建造技术的实现依赖于可靠且高效的装配式连接节点——这些节点不仅需要具备足够的承载能力和刚度来保证结构的安全性，还需要满足现场快速装配的施工要求。装配式连接节点因此成为大跨度装配式单层空间网壳结构体系的关键。
二、网壳节点连接形式的分类与半刚性节点的研究意义
在单层网壳结构中，节点的连接形式直接决定了结构的整体受力性能。传统的网壳节点主要分为两类：刚性连接节点（如焊接球节点）和铰接连接节点（如螺栓球节点）。焊接球节点通过现场焊接实现杆件与节点的刚性连接，具有刚度大、承载力高的优点，但现场焊接工作量大、焊接质量受人为因素影响较大、高空作业风险高。螺栓球节点则以螺栓装配为主，施工便捷，但在传统设计分析中常被假定为铰接节点——然而，大量研究表明螺栓球节点实际上并非理想的铰接节点，而是具有一定的转动刚度，属于介于铰接和刚接之间的半刚性节点。
随着研究的深入，学术界和工程界逐渐认识到：将装配式节点简单地视为铰接或刚接，均可能与实际情况存在偏差。对于装配式节点而言，其往往采用单根或多根螺栓与构件连接，因此不可避免地具有一定的半刚性特性。然而，长期以来由于对装配式节点受力性能的认识不足，在装配式网壳结构分析和设计时，通常将其假定为铰接；而通过研究发现，实际装配式节点实际上具有较好的半刚性性能。因此，系统研究装配式半刚性节点的力学性能，准确掌握其刚度、承载力及破坏模式，对于装配式网壳结构的合理设计与安全应用具有重要的理论意义和工程价值。
三、十字形装配式节点的提出与技术挑战
在上述背景下，本文提出了一种适用于大跨度单层网壳结构的十字形板装配式节点。该节点采用十字形钢板作为核心传力构件，通过角钢和矩形连接盖板实现与圆钢管的螺栓连接，既保证了节点的装配化施工要求，又通过合理的构造设计实现了良好的抗弯性能。该节点的设计理念在于：通过设置角钢、矩形连接盖板与十字形钢板之间的螺栓连接，当节点承受弯曲荷载时，角钢和矩形连接盖板可以首先承受弯曲荷载，从而减少节点内侧十字形钢板的塑性损伤，并有效提高节点的抗弯性能。
然而，作为一种新型装配式节点，十字形装配式节点的受力机理、破坏模式以及各组成部分尺寸参数对抗弯性能的影响规律尚不明确。节点在平面内和平面外两个方向上的抗弯性能是否存在差异？十字形钢板厚度、角钢厚度、盖板厚度、螺栓数量等参数如何影响节点的初始抗弯刚度和抗弯承载力？这些问题直接关系到节点的设计方法和工程应用。因此，有必要通过系统的有限元模拟和参数化分析，深入研究该新型节点的抗弯性能，为其工程应用提供科学依据。
本文的研究主要涵盖以下三个方面：
研究首先提出了十字形装配式节点的具体构造方案。该节点由圆钢管、十字形钢板、角钢、矩形连接盖板、圆盖板和高强螺栓六个主要部分组成。其中，圆钢管作为网壳的杆件构件，十字形钢板作为节点的核心传力部件，角钢和矩形连接盖板则承担着连接与传力的双重功能。
节点的制作与装配流程分为工厂预制和现场装配两个阶段。在工厂预制阶段，将圆钢管、盖板和十字形钢板焊接成整体部件。在现场装配阶段，将十字形板和角钢、矩形盖板通过高强螺栓进行连接，完成杆件与节点之间的装配。
节点的工作机制具有明确的层次性。当节点承受弯曲荷载时，角钢和矩形连接盖板作为第一道防线首先承受弯曲荷载，通过其自身的弹塑性变形来耗散能量。这一设计巧妙地利用了角钢和盖板的变形能力，有效减少了节点内侧十字形钢板的塑性损伤，从而保护了核心传力构件的完整性。与此同时，十字形钢板作为核心受力构件，在角钢和盖板之后承担主要的弯矩传递任务，三者协同工作，共同提升节点的抗弯性能。
为深入研究十字形装配式节点的抗弯性能，研究采用有限元模拟方法构建了新型连接节点的精细化有限元模型。有限元模型充分考虑了材料的非线性本构关系、接触面的摩擦与滑移、高强螺栓的预紧力等关键因素，力求准确反映节点在实际受力状态下的力学行为。
在模型验证的基础上，研究开展了系统的参数化分析，重点考察了以下变量对节点抗弯性能的影响：
参数化分析分别考察了上述因素对节点在平面内和平面外两个方向上的抗弯性能的影响。这是因为网壳节点在实际结构中可能承受来自不同方向的弯矩作用，节点在两个方向上的受力性能可能存在差异，需要在设计中分别予以考虑。
通过对各组成部分尺寸的参数化研究，研究明确了各因素对新型连接节点平面内外抗弯性能的具体影响规律。
基于有限元分析和参数化研究的结果，研究对十字形装配式节点的抗弯性能进行了全面评估。
抗弯刚度方面，研究结果表明，采用角钢与矩形盖板相连接形成的十字形节点，在抗弯刚度方面表现出了优异的性能。节点的初始抗弯刚度可以通过调节十字形板厚度、螺栓数量以及角钢和盖板的厚度进行有效调控。这一发现为工程设计中根据不同的刚度需求调整节点参数提供了依据。
抗弯承载力方面，研究同样证实了十字形节点在承载力方面的优越性能。通过合理的参数配置，节点可以获得足够的抗弯承载力来满足工程应用的要求。
设计方法方面，研究基于刚性节点设计方法，对该半刚性节点进行了理论设计。结果表明，采用该方法可以保证节点弯矩设计值基本达到圆钢管的屈服弯矩，满足设计规范的要求，同时有效提高节点的安全性。这一发现为十字形装配式节点在实际工程中的设计提供了可直接参考的方法。
本文通过对大跨度装配式单层网壳十字形半刚性螺栓连接节点抗弯性能的系统研究，得出以下主要结论：
（1）十字形装配式节点构造合理，工作机制明确。 该节点由圆钢管、十字形钢板、角钢、矩形连接盖板、圆盖板和高强螺栓组成，采用“工厂焊接+现场螺栓装配”的两阶段制作与装配模式。节点通过角钢和矩形连接盖板首先承受弯曲荷载的设计思路，有效减少了十字形钢板的塑性损伤，实现了多道防线的受力机制。
（2）十字形节点在抗弯刚度和承载力方面均表现优异。 采用角钢与矩形盖板相连接形成的十字形节点，其抗弯刚度和抗弯承载力均达到了良好的性能水平，能够满足大跨度单层网壳结构对连接节点的受力要求。
（3）节点抗弯性能可通过关键参数进行有效调控。 十字形板厚度、螺栓数量以及角钢和盖板的厚度是影响节点初始抗弯刚度和抗弯承载力的关键参数。通过合理调节这些参数，可以实现节点性能的按需设计，为不同工程条件下的节点选型和设计提供了灵活性。
（4）基于刚性节点设计方法进行半刚性节点设计是可行的。 采用刚性节点设计方法对该半刚性节点进行理论设计，可以保证节点弯矩设计值基本达到圆钢管的屈服弯矩，满足设计规范要求，同时有效提高节点的安全性。这一发现为十字形装配式节点的工程应用提供了简便而可靠的设计途径。
（5）后续研究建议。 建议在今后的研究中进一步开展以下工作：开展足尺节点试验研究，以验证有限元分析结果的可靠性；考虑循环荷载作用下节点的滞回性能和耗能能力，为抗震设计提供依据；研究节点刚度对整体网壳结构稳定性和动力特性的影响规律，建立考虑节点半刚性特性的网壳结构设计方法。
