关节轴承连接是机械装备金属结构中一种重要的连接形式, 其主要功能是完成构件本体的拼装和不同构件间的组装以及转动构件的活动连接等, 按连接机理可分为静连接和动连接两类, 静连接即被连接件没有相对转动的连接, 动连接即被连接件有相对转动的连接。而在建筑行业中通常分为普通关节轴承节点 (销轴节点) 和向心关节轴承节点两种 (图1) 。销轴节点一般由耳板、轴承、榫头组成, 其中耳板、榫头与连接构件相连。关节轴承节点根据所能承受的面外剪力与轴力大小比值的不同, 可区分为向心关节轴承节点、角接触关节轴承节点和推力关节轴承节点。关节轴承节点由转动核心向心关节轴承 (包含内、外圈) 、单耳板、销轴、销轴压盖、定位套、轴承压盖、双耳板等组成。关节轴承节点最初用于工农业机械、航空航天、纺织、铁路、汽车、船舶等领域, 由于其受力明确、制作简单、安装方便和外形美观等特点, 目前也越来越多地运用到桥梁和建筑行业中。由于国家对建筑业节能环保方面的重视、大力提倡设计与建设绿色建筑, 为钢结构体系及连接节点的创新提供了良好的发展前景, 因此关节轴承连接作为一种新型独特的节点已成为现代钢结构中最常采用的节点形式之一。

　　 关节轴承节点在钢结构建筑的幕墙、支座、支撑、拉索端部等部位比较常见。但是近年来由于大跨度、大层高和重荷载等特点的钢结构逐渐增多, 钢梁与柱 (或桁架) 节点也开始尝试采用关节轴承节点。一般情况下, 钢柱与钢梁连接通常采用栓焊连接节点, 但其存在很多缺点:高强度螺栓拼接及大量的焊接无法保证施工质量;梁截面较大、螺栓数量多、连接件净截面削弱较大, 且螺栓受力不均, 造价也高, 同时制孔精度难以保证;施工过程中不方便重复拆卸和安装。而钢柱与梁 (或桁架) 采用关节轴承连接方式, 受力明确、施工简单、拆卸方便, 可同时满足绿色建筑设计与施工要求, 尤其适用于具有大跨度、大层高和重荷载等特点的特殊钢结构中。

　　 然而, 关节轴承节点虽在我国建筑行业已经大量应用, 但是由于现行建筑钢结构类规范对关节轴承节点还没有较为详尽的规定, 最新版的钢结构标准^[1]也主要是参考欧洲规范^[2]、美国规范^[3]、澳大利亚规范^[4]给出了简单的计算公式, 同时缺乏经历地震作用的实际检验。随着关节轴承节点在工程结构领域的逐渐推广应用, 有必要对关节轴承的材料性能和节点的承载能力、延性和抗震性能进行系统的研究, 并为我国建筑钢结构行业进一步研究其设计理论和方法创造一定的条件和提供资料参考。

　　 自关节轴承节点广泛用于建筑钢结构连接以来, 国内外学者对该节点的力学性能进行了深入的研究, 国外主要集中在美国、英国和日本, 国内主要集中在天津大学、清华大学、同济大学等高校及中国航天建设集团有限公司、中国五洲设计集团等企业。

　　 节点是结构构件相互交汇连接的复杂区域, 是整个结构特别关键的部位。对于钢结构关节轴承节点而言, 关节轴承通常采用高强度钢材, 所以钢材屈服平台的长度比较短、屈强比相对较高, 因而很难达到《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) 的要求, 其变形能力显得更加重要;另一方面, 由于研究数量不足, 无法对节点转动和实际变形能力进行估计, 因此, 节点力学性能是亟需解决的关键问题。

　　 文献[5,6,7,8]对销轴节点耳板和销轴的破坏形式进行了研究, 根据受荷情况, 销轴连接主要有6种极限破坏状态, 包括:耳板孔边受拉破坏、耳板板孔顶撕裂破坏、耳板孔顶剪切破坏、耳板承压破坏、销轴剪切破坏和销轴弯曲破坏, 见图2。

　　 向心关节轴承节点的破坏机理较为复杂, 单向轴向力作用下出现的破坏形态与销轴节点相似, 但双向力作用下出现的破坏状态形式更加多样化。由于内圈和外圈以及突缘的存在, 节点在试验和有限元计算分析中, 也会发生内圈和外圈以及突缘的剪切和承压破坏, 有关向心关节轴承节点的破坏机理研究文献较少, 有些学者针对具体工程对向心关节轴承节点进行了较为完善的研究。

　　 根据材料力学, 当构件正应力达到强度极限时, 会引起断裂;当构件正应力达到屈服应力时, 将产生屈服或出现显著塑性变形, 所以断裂和屈服或出现显著塑性变形是构件破坏和失效的两种形式。构件在交变应力作用下还可能发生疲劳破坏, 疲劳破坏也是构件破坏的一种形式。

　　 根据受力情况, 当构造相对简单、轴孔间隙较大且轴和孔的刚度也较大时, 可简化为耳板受集中载荷, 不考虑接触问题, 按材料力学强度理论校核计算^[9]。以销轴节点为例有关计算概念与计算方法如下:

　　 (1) 剪切强度

　　 相关试验表明, 外力过大时销轴将沿横断面剪断, 因此对于销轴受剪连接件, 必须考虑其剪切强度问题。

　　 剪切应力:

　　 $\tau =F{}_{\text{s}}/A{}_{\text{s}}(1)$

　　 剪切强度:

　　 $F{}_{\text{s}}/A{}_{\text{s}}\le [\tau ]=\tau {}_{\text{b}}/n(2)$

　　 式中:F_s为剪力;A_s为受剪截面面积;[τ]为允许剪切应力;τ_b为剪切强度极限;n为安全因数。

　　 (2) 挤压强度

　　 在外力作用下, 销轴与孔接触产生挤压应力, 当挤压应力过大时, 接触区域的局部将产生显著塑性变形, 影响孔销间的正常配合。在局部接触的圆柱面上, 挤压应力的分布见图3, 最大压应力发生在中部。根据试验与分析结果, 可得出下列公式:

　　 最大压应力:

　　 $\sigma {}_{\text{b}\text{s}}=F{}_{\text{b}}/\delta d(3)$

　　 挤压强度:

　　 $F{}_{\text{b}}/\delta d\le [\sigma {}_{\text{b}\text{s}}](4)$

　　 式中: σ_bs为最大压应力;F_b为挤压力;[σ_bs]为最大压应力允许值;δ为耳板厚度;d为销轴直径。

　　 (3) 弯曲强度

　　 最大弯曲正应力发生在距中性轴最远处, 该处切应力可忽略不计, 最大弯曲正应力为:

　　 $\sigma {}_{\max }=\frac{{\rm M}{}_{\max }}{W}\le [\sigma ](5)$

　　 式中:σ_max为最大弯曲正应力;M_max为最大弯矩;W为抗弯截面系数;[σ]为允许应力。

　　 相邻两外力大小相等, 方向相反, 作用线相近, 且垂直于销轴轴线, 在外力F作用下, 销轴沿着横截面相对错动, 外力F过大时销轴可能发生沿剪切面的剪断, 这种变形就是剪切, 被剪断的面称为剪切面^[10,11]。这种方法实际就是把销轴节点简化为简支梁, 采用容许应力的方法, 把受力简化为集中力进行计算, 适用于受力简单的销轴节点^[12]。销轴计算简图见图3。

　　 结构的关节轴承节点中销轴与连接件之间一般存在微小的装配间隙, 其接触面积及接触压力分布将随荷载加载方式的不同而发生变化^[13], 所以把关节轴承节点的应力分析当作弹性接触问题来分析其效果更接近于实际情况^[14,15]。接触问题属于边界条件非线性问题^[16], 对于关节轴承节点的接触应力分析来说, 首先要判断轴承及其被连接件的接触状态, 不同的接触状态反映为不同的应力计算方法^[17,18]。

　　 接触理论是Hertz^[19]于1882年提出的, Hertz接触理论是研究两物体之间因受压相触后产生的局部应力和应变分布规律的一种理论^[20]。当接触物体表面的轮廓近似呈现二次抛物面时, 用Hertz理论可以算出较符合真实情况的结果。同时, 其他参数如接触材料的泊松比和弹性模量等对接触应力的大小也有一定影响^{[21,22,23,24,25]}。利用Hertz理论可证明两椭圆接触面上的最大压应力P₀^{[26,27,28,29,30]}可按式 (6) 进行计算:

　　 ${\rm P}{}_0=\frac{3{\rm P}}{2\text{π}ab}(6)$

　　 式中:P为集中荷载;a, b分别为椭圆的长半轴、短半轴。

　　 当接触状态为半径R₂的圆柱体放置在半径R₁的圆柱孔内, 并且材料均为均质钢材 (弹性模量为E) 时, 由Hertz理论可以推出接触面上的最大压应力计算公式:

　　 ${\rm P}{}_0=0.4182\sqrt[]{\frac{{\rm P}E(R{}_1+R{}_2)}{R{}_{1}R{}_2}}(7)$

　　 Hertz接触理论以后又有许多学者提出了各自的观点, 使接触模拟更接近实际情况。目前对销轴与耳板接触问题的理论研究较为复杂, 因此为使数学模型的求解过程简化, 都需要基于一定的假设。文献[30]采用基于弹性接触的Hertz接触理论建立应力方程式, 再依据接触刚度矩阵理论, 在销轴上划分出若干节点来计算出接触面上某节点的最大应力, 计算表明最大接触压应力均出现在与耳座圆孔孔壁接触处;通过比较, 基于弹性接触的应力方程计算结果与有限元分析结果相比差别不大。David Duerr等^[31]对销轴连接接触应力的变化和分布规律进行了深入的研究, 并尝试找出接触应力的作用中心, 并提出了接触应力在耳板销孔中的有效分布宽度的概念。蒋友宝等^[32]、李家武等^[33]对销轴连接的设计进行了系统的研究, 在考虑接触特性的前提下, 通过运用Winkler弹性理论分析了销轴接触的受力状态^[34], 建立了一种便于实际工程应用的简化计算方法和公式。

　　 以上研究表明, 利用弹性接触原理对关节轴承节点的应力分析是比较可靠的, 但实际工程中的接触问题非常复杂, 采用简化方法受到一定的局限, 用解析算法已经不能满足工程的需要, 因此近年来随着接触问题分析方法和计算软件的快速发展, 有限元法等数值解法在工程中的应用取得了重大进展^[35,36]。

　　 曲梁理论在经典的解析算法中是最原始也是最接近实际的一种方法。销轴、耳板承受的荷载方向垂直接触面, 文献^[37,38,39]一般假定荷载在0°～180°范围内沿正弦函数分布 (图4) , 根据受力情况, 耳板的危险截面主要有两个:耳板对称轴截面1-1和沿轴心垂直于对称轴的截面2-2。

　　 截面1-1内的主要应力为挤压应力和拉应力, 靠近接触面内的为挤压应力, 随着距离竖直中心线越来越远, 压应力逐渐减小至零再变为拉应力;截面2-2内的主要应力只有拉应力, 越靠近销孔接触位置的拉应力越大, 并在销轴接触区域内产生应力集中现象。根据静力平衡条件, 内力一般按式 (8) 进行计算 (拉板承受的拉力P通过销孔壁沿着孤长以压力的形式传给销轴, 假定P沿弧长按正弦规律分布) ;强度采用弹性曲梁公式计算危险截面的应力, 计算见式 (9) :

　　 $\begin{array}{l}{\rm P}={\rm P}{}_{\max }\sin \alpha (8)\\ \sigma {}_{\text{y}}=\frac{{\rm N}{}_{\text{i}}}{A}+\frac{{\rm M}{}_{\text{i}}}{AR}+\frac{{\rm M}{}_{\text{i}}}{AR{\rm K}}\cdot \frac{y}{R+y}(9)\end{array}$

　　 式中:P_max为最大分布应力;A为销轴计算截面面积, 对于矩形面积A=hδ;K为与计算截面形状有关的系数, 对于矩形截面${\rm K}=\frac{R}{h}\cdot \ln \frac{2R+h}{2R-h}-1$;N_i为耳板产生的轴力;M_i为拉力产生的弯矩;y为偏心距。

　　 曲梁理论在销轴连接的设计计算中具有一定的指导意义, 但是其计算方法过于繁琐, 而且尚不明确正弦函数分布的假设是否准确, 因此, 当前这种方法在实际工程中已经很少采用。

　　 销轴 (或关节轴承) 的计算, 在我国的机械类规范中有所规定, 但在现行建筑结构类规范中还没有详尽的规定, 在而在欧洲、美国和澳大利亚建筑结构类规范^[2,3,4]中已经有较成熟的规定, 基本上均依据材料力学理论、试验数据和实践经验确定。经过对比发现上述各国规范规定相近, 仅有理论计算结果折减或放大系数不同, 而欧洲规范对此类节点规定最为完善, 计算也相对比较方便, 我国设计一般主要按照欧洲规范进行理论计算, 并通过试验进行验证对比, 为销轴节点的简化计算提供了有效的依据。从现有的国内外规范计算方法中可以看出, 由于销轴受力状态非常复杂, 所以在实际计算和设计中常采用近似容许应力的方法, 计算销轴的弯曲应力、剪应力和承压应力, 并采用安全系数或经验系数进行放大或折减, 对耳板和间隙提出相应的构造要求。

　　 对于向心关节轴承计算, 国内外建筑结构规范中一般没有相关规定, 在实际应用中主要采用机械类规范规定、有限元分析和试验相结合的方法。国内外销轴计算标准见表1。

　　 关节轴承连接节点在机械行业计算理论比较完善, 实际工程应用也很成熟, 而且经历了大量的实践检验, 在建筑工程中此类节点虽然形式上与其相似, 但是材料、加工精度、安装方式和尺寸大小大为不同, 导致受力状态更加复杂, 所以仅仅参考机械轴承类计算理论往往无法满足建筑工程需要。因此对一些受力复杂和工程经验较少的节点除了理论计算, 还需要辅助进行试验验证和研究。

　　 目前, 丁大益等^[5]将销轴节点用于钢桁架与柱的连接, 并完成了销轴与耳板的材料性能试验, 进行了静力荷载状态下的足尺销轴节点试验和往复荷载下的局部构件试验;马建伟等^[41]分析了在大跨重载钢结构中桁架与柱采用梁销轴节点的优越性, 并对实际工程中的销轴节点和构件进行了试验研究, 验证了其可行性和可靠性;王哲、王小盾等^[42,43]在弦支穹顶结构中的索杆节点采用了向心关节轴承, 此类节点可以实现空间任意角度的铰接连接, 撑杆的转动可以改变张拉环向索通过环向拉索滑动传递预应力的方式, 并同时对该类型节点进行轴向加载试验, 验证了向心关节轴承节点在轴压作用下具有良好的空间转动能力;张慎伟等^[44]在某博物馆项目中的钢桁架支座部位采用向心关节轴承节点模拟完全铰接, 并完成了节点试验研究及有限元分析结果的比较, 结果表明其极限承载力满足设计要求;赵宪忠、王帅等^[45,46]将向心关节轴承应用于梁柱节点中, 并进行了节点试验研究及有限元分析, 结论认为在满足额定荷载要求前提下, 向心关节轴承球铰节点具有良好的转动和承载性能;陈以一等^[47]将向心关节轴承节点应用于Y形柱-梁的连接部位, 并对该节点进行了足尺试验, 验证向心关节轴承的传力性能和转动性能, 试验结果表明该节点力学性能良好;潘汉明等^[48]在广州新电视塔中采用向心关节轴承节点模拟双向铰接, 进行了两个典型节点足尺试验研究和有限元分析, 试验结果认为节点区的耳板与突缘连接区域加厚等加强措施是有效的;刘飞禹等^[49]、王帅^[50]研究了内嵌向心关节轴承的装配式铸钢节点的受力性能, 通过试验和数值分析对向心关节轴承中销轴和内环的尺寸参数进行了优化设计, 并与试验只能测得铸钢件表面的应变相比, 认为采用三维有限元分析能更加真实完整地反映向心关节轴承的应力应变情况。

　　 到目前为止, 对建筑钢结构关节轴承节点的试验已经取得了初步进展, 但是上述多数试验仍然停留在对规范进行验证的基础上, 并没有具体提出节点的设计理论和方法, 同时没有达到对参考的国外规范提出修正建议的层面。虽然试验结果均表明关节轴承用于建筑钢结构具有较好的性能, 但是大多数试验没有很好地考虑加工误差、安装精度和构件之间的摩擦等影响, 与实际情况有一定的区别;而且多数试验均是在静力荷载作用下进行的研究, 不能模拟地震等动荷载的真实情况;轴承材料的不同及尺寸大小均会对研究结果有较大影响, 所以, 上述研究还需进一步细化。例如由于施工安装要求较高, 安装精度对结果的影响规律是什么, 是否可以对其进行调整, 调整范围如何界定;由于试验较为昂贵, 有些试验采用缩尺模型, 或者将轴承替换成普通钢材的做法, 对节点实际受力效果究竟有多大的误差或影响等都需要深入研究。

　　 节点数值模拟目前国内比较成熟, 一些主流有限元软件ANSYS与ABAQUS等均可以模拟关节轴承节点并能够进行接触分析, 可以得到各种工况下的应力应变结果。

　　 在实际工程应用方面, 由于关节轴承连接节点在建筑钢结构中没有相应的设计规范, 也不可能普遍采用试验方法, 因此通常是利用国内外规范进行设计, 然后采用有限元软件进行数值模拟复核设计结果。文献[51,52,53]在航天某实验室及新疆霍尔果斯会展项目的屋楼面结构桁架与柱连接中大量采用了销轴节点, 其依据欧洲规范设计, 利用有限元软件进行节点分析, 取得了较好的效果, 这种连接方式曾经在文献[5]提到的山东某会展中心中采用并进行了数值分析。

　　 在理论研究方面, 国外学者^[6,54]对销轴节点的耳板受力性能和销孔环向在接触荷载下的应力分布情况进行了有限元研究, 由于接触模拟非常复杂, 为使数学求解简化, 接触问题通常基于材料是否弹性、接触区域摩擦系数大小或耳板刚度大小等方面的假设, 随着计算机技术的发展, 上述参数的设置也越来越接近于实际情况, 计算结果更加准确。文献[55]采用有限元软件建立完善的有限元模型, 用光弹法 (SLP) 与仿真结果进行对比, 验证了仿真结果的有效性, 并且提出了仿真模拟中采用的假设与光弹法测试结果存在一定的误差, 建议仿真模拟计算中对相关参数应给与适当的修正。文献[56]利用有限元软件ANSYS对建筑结构典型销轴节点建立足尺模型进行接触力分布研究, 对影响销轴接触力分布的几大因素进行了理论分析, 确定了孔径与耳板厚度的比值及荷载大小为影响建筑工程典型销轴连接接触力分布的两个主要因素。

　　 研究表明, 采用有限元软件进行模拟计算是可靠的, 可以用于校核与优化关节轴承节点的设计, 但对于较为复杂的大型节点, 建议进行相关的足尺或缩尺的试验进行分析比较, 然后用于指导设计。

　　 建筑轴承节点构造相对简单, 安装方便, 但是由于节点制作工艺来自于机械行业, 要求精度很高, 为了适应建筑行业的需要, 许多专家对节点构造进行了研究, 发现轴承的孔径、耳板的厚度和轴承的固定方式等因素对节点受力均具有一定的影响。朱浩^[56]系统分析了孔径与耳板厚度比不同对轴承接触的分布影响, 认为孔径与耳板厚度比较大时荷载对于孔径接触力的影响比较小, 销轴的受力状态以受剪切力为主, 当孔径与耳板厚度比达到一定程度后, 荷载对孔径接触力影响非常大, 销轴变形以弯曲变形为主;李铁纯^[57]研究了不同情况下耳板孔壁容许应力的变化情况, 得出了耳板承压容许应力与销轴直径、销孔间隙有关, 销轴直径固定的情况下, 耳板承压容许应力随着销孔间隙的增大而减小等结论。

　　 对于轴承节点耳板尺寸, 除了应根据钢结构标准^[1]给出的强度计算公式确定, 还需要满足一定的构造要求, 主要构造在钢结构标准^[1]里已经有所体现。文献[40,57]通过计算确定耳板厚度后, 再按照构造确定出耳板尺寸, 其板件抗拉和抗剪强度一般均可满足设计要求;对于带切角的矩形耳板, 美国规范也要求其到切角边净距不小于耳板;应天益^[58]指出应控制节点板最小板厚, 增强节点板抗压能力, 同时给出利用美国规范和英国规范^[31]对节点板厚度进行控制的建议;徐进永^[59]和IYER K^[8]对影响机械轴承受力的各方面因素进行了对比分析, 包括耳板尺寸、轴承直径、轴承加工、拼接以及组装的工艺等, 并强调在机械结构中, 销轴与耳板之间的润滑对销轴的力学性能存在重要影响。机械行业的相关研究成果对建筑中的轴承应用也具有一定的借鉴作用。

　　 结合我国轴承节点的研究现状以及工程中的实际应用可知, 建筑轴承节点构造还未形成固定的标准, 节点设计一般根据国外的做法并采用试验或数值分析进行验证和改进。由于轴承节点制作和安装的精确性和特殊性, 制约了其在建筑行业的发展, 因此建议在制作和安装精度以及安装工艺上进行深入的研究, 制定适用于我国的标准和规范, 并使其在建筑钢结构节点连接中发挥更多的作用。

　　 在轻钢结构中, 柱脚有时采用销轴节点模拟铰接支座, 使结构显得轻盈和美观, 钢柱柱脚受力明确, 可以减少钢材用量, 且基础尺寸可以明显减小。例如在上海世博会某建筑 (图5 (a) ) 中, 曾大量采用销轴节点柱脚, 而且取得了很好的效果和经济效益;在膜结构拉索柱脚设计中一般采用销轴节点, 受力简单;销轴节点也经常在大跨拱形结构和网壳支座中采用;在新加坡摩天观景轮结构中, 巨大的钢管柱柱脚采用了销轴节点, 钢管直径近2m, 而销轴直径约0.5m, 这在钢结构工程中非常少见, 见图5 (b) 。

　　 建筑轴承节点在梁柱连接中应用较少, 而且在结构抗震中没有相应的实践经验, 没有相关的设计规范和计算方法。山东某会展中心项目在大跨钢桁架与钢柱的连接中采用了销轴连接, 并利用欧洲规范设计, 通过节点试验和有限元分析验证了节点的可靠性;具有大层高、大跨度和大荷载等特点的航天某实验室工业建筑的钢桁架与矩形钢管柱连接中采用了销轴节点 (图6 (a) ) , 进行了节点足尺试验和桁架缩尺试验, 并利用有限元软件对试验结果进行了验证, 结果表明, 销轴节点具有良好的受力性能和延性, 可以在类似的连接中参考应用, 同时给出了设计和构造建议;之后销轴节点又在新疆某会展中心项目上得到大量应用, 取得了较好的效果;国外项目中也有类似的做法, 例如美国的丹佛国际机场, 钢梁与柱连接采用了不常用的销轴节点, 非常美观, 见图6 (b) 。

　　 在现代钢结构中, 建筑师为了追求轻巧、美观和艺术感, 在建筑外观大量采用拉索的结构方式, 例如幕墙、雨篷和膜结构等;结构设计中对拉索的采用也情有独钟, 拉索起初在桥梁中应用较多, 现在广泛地应用于张弦结构、膜结构、预应力结构和结构加固节点中, 如图7所示。

　　 传统的支撑与钢柱连接通常采用栓焊方式, 但是由于一般支撑设计时只考虑承受轴力, 不考虑弯矩作用, 因此越来越多的项目支撑采用销轴节点, 或者支撑交叉节点, 例如英国伦敦的希思罗国际机场 (图8 (a) ) , 受力明确, 施工安装拆卸方便, 建筑美观。近几年来用于抗震耗能的防屈曲支承, 也利用了销轴的连接方式, 见图8 (b) 。虽然斜撑采用销轴节点已经比较普遍, 但是由于价格昂贵, 制作工艺较高等特点使这种连接方式的应用受到一定制约, 建议在今后的研究中应加以关注。

　　 随着国内机场、机库、大型公共建筑和大型工业厂房等的迅速发展, 出现了很多的创新型结构形式, 例如仿生结构、树形结构和多维曲面结构, 这类结构一般采用钢结构形式。由于结构的复杂性, 许多学者对连接节点进行了一系列的研究, 创新型节点也不断出现, 例如铸钢节点、销轴节点和向心关节轴承等节点。新型节点用在新型结构上, 不仅使结构造型越来越具有艺术性, 也促使钢结构不断的创新和发展。上海浦东机场T2航站楼梁与Y形柱连接节点及广州新电视塔梁柱连接节点采用向心关节轴承模拟万向铰节点, 该节点在各个方向均没有弯矩, 是一种较为理想的铰接形式, 见图9。

　　 关节轴承节点除了在以上工程应用外, 也在网架的球节点连接、桁架的构件之间连接、构件的拼接和施工时的临时固定中有所应用, 因此, 可以说关节轴承节点在建筑结构中有着广泛的应用, 并且经过不断的改进与创新, 此类节点有着良好的发展前景。但是此类节点的连接方式、计算理论和设计标准还不成熟, 还需要进行进一步的深入研究, 制定相应的设计规范或设计标准。

　　 关节轴承节点设计、计算分析及相关构造在目前的中国建筑类钢结构相关规范或标准中还没有具体规定, 空间网格规程中对销轴节点做了简单的构造说明, 最新的钢结构标准^[1]中的销轴节点设计也基本是借鉴了国外钢结构设计标准, 如欧洲规范、美国规范、澳大利亚规范等。对于向心关节轴承类节点建筑类相关规定更是少之又少, 通常采用机械类规范设计, 然后采用有限元模拟和试验验证的方法, 大大增加了设计难度和建设成本, 也制约了其在结构的应用发展。因此, 需要对此类节点尽快制定相应的设计标准。

　　 关节轴承节点设计相对普通钢结构栓焊连接节点比较复杂, 实际项目中均需要对节点进行有限元分析, 验证其可靠性。由于节点的建模与网格划分工作量大, 考虑到计算时间和电脑硬件配置等方面问题, 很少对整个结构按实际节点建模进行整体分析, 因此缺少这方面的理论计算研究。对于节点试验, 也通常由于试验场地、试验设备和试验经费的限制, 仅对足尺节点和局部缩尺构件进行试验, 对整体结构的试验数据基本没有。所以, 在今后的相关研究中, 有条件的应对整体进行有限元模拟计算, 对整体结构进行抗震性能分析, 在试验方面可以先对单跨结构或单榀桁架进行试验研究, 如果条件允许, 可对缩尺的整体结构进行试验研究。

　　 关节轴承节点来源于机械行业, 机械行业设计、制作与安装精度非常高, 而建筑业与机械行业有着很大的区别, 使用前必须对节点构造加以改进, 构造无论是在受力还是施工方面都有着非常重要的作用, 因此节点设计是否合理关系到结构的安全和构件的顺利安装, 关节轴承节点在机械行业里一般要求1～2mm的精度, 建筑行业很难做到, 但是又缺乏放松其要求的依据, 例如对销轴孔径, 是否可以把孔径加大些, 具体加大多少, 受力如何变化, 可靠度降低多少, 能否满足建筑结构规范要求, 如何对节点进行改进等问题需要在今后的研究中给予重视。

　　 建筑行业关节轴承节点具有机械行业制作精细、安装精度高、易于替换等特点, 因此节点制作要求较高, 一般需要在机械厂家进行制作, 同时费用高于建筑钢结构。当节点体型较大和较为复杂时, 一般采用整体浇筑 (铸钢) 方式。由于节点安装精度非常高, 设计精度按照机械规范规定, 精度在几毫米以下, 远远高于建筑行业的规定, 而且当前国内没有成熟经验和相关的施工规范, 通常采用吊车、千斤顶和重锤等工具, 人工进行调整。但上述方法存在销轴无法安装、加工孔口无法对正和由于结构变形无法保证安装精度等问题。此外, 由于此类节点的施工经验还有所欠缺, 对项目中发现的问题无法进行系统地梳理, 需要有关部门对现有项目和试验结果以及理论进行归纳总结, 制定建筑行业关节轴承节点制作与安装的标准或使用指导。

　　 (1) 建筑钢结构行业在当前形式下会继续快速发展, 钢结构节点也会不断完善和创新, 关节轴承节点作为一种较为新颖的节点在建筑结构中发挥着重要作用, 同时相关的试验和研究也在顺利开展。由于我国相关的研究和试验还不够深入, 并且没有统一的标准和规定, 设计一般采用国外规范和机械类规范, 限制了此类节点的使用范围。

　　 (2) 与普通钢结构节点不同, 关节轴承节点在我国建筑领域使用时间不长, 没有经过地震的检验, 现有设计方法是否能够满足抗震要求和延性要求无法判定。欧美等国家对此类节点已经制定了相关的计算方法和规定, 为使关节轴承节点应用进一步推广, 我国也需要根据理论研究、试验结果和工程经验制定适合建筑行业的标准、规程或规范, 有必要对节点延性、承载能力、抗震、构造及安装方面进行系统的研究, 并可借鉴国外的先进经验, 同时结合现有的工程经验, 提出相应的计算理论、设计方法和构造要求。