1. 引言
1.1. 大跨度网架结构的工程地位与倒塌风险
Figure 1. Collapse of power house of Inner Mongolia Xinghe thermal power plant
图1. 内蒙古兴和热电厂厂房倒塌
大跨度网架结构以钢管杆件与螺栓球节点为核心，具有空间受力合理、跨越能力强、施工便捷等优势，广泛应用于体育场馆、机场候机楼、工业厂房等公用建筑[1]。此类建筑人流量大、造价高，但其超静定特性导致局部构件失效易引发“多米诺效应”，最终导致连续性倒塌。据统计，近20年国内外多起重大事故均与网架倒塌相关：2005年内蒙古火力发电厂屋顶施工中因荷载超限坍塌(图1) [2]，2006年德国巴特赖兴哈尔溜冰场因雪荷载超载引发屋盖倒塌[3]，2010年波兰卡托维茨国际博览会会场因30 cm厚积雪导致网架连续破坏(图2) [4]。针对造成大跨度网架结构连续性倒塌破坏的原因进行分析，主要是由于大跨度网架结构在偶然荷载作用下会发生局部杆件失稳进而影响整体，最后整体结构也会失稳，导致整体结构倒塌[5]。这些事故表明，偶然荷载下关键杆件的失稳是倒塌的核心诱因，亟需针对性抗倒塌设计。
Figure 2. Continuous collapse of structure caused by snow load exceeding limit, (a) Hartford Stadium; (b) Polish Exhibition Center
图2. 雪荷载超限造成结构连续倒塌，(a) 哈特福德体育馆；(b) 波兰某会展中心
1.2. 现有抗倒塌方法的局限性
当前大跨度网架抗连续性倒塌研究多聚焦两类方案：一是“整体补强法”，如增大关键杆件截面、增设支撑构件[6]，虽能提升承载力，但会增加结构自重与造价，且难以应对突发荷载下的能量耗散；二是“备用荷载路径法”，通过拆除局部构件模拟失效后内力重分布，但未考虑节点耗能对构件保护的作用[7]。国内外学者虽在钢框架梁柱节点耗能研究中取得进展，如翼缘削弱节点、后张钢框架节点[8]-[10]，但针对网架结构螺栓球节点的耗能设计极少，无法满足网架“轴力主导、节点关键”的受力特性。
1.3. 螺栓球耗能节点的前期研究基础
前期已基于螺栓球节点提出新型耗能节点(图3)，其核心创新在于将普通套筒改造为“小套筒–耗能板–大套筒”组成的耗能元件：当结构承受设计荷载时，耗能元件与杆件协同承载；当遭遇偶然荷载(超设计承载力)时，耗能板通过金属塑性剪切吸收能量，同时小套筒嵌入大套筒实现“让位效应”，间接耗散能量，双重机制共同保护关键压杆免失稳。通过参数化模拟已明确：耗能板厚度(t)、大小套筒间隙(b)、耗能板空隙个数(n)是影响耗能性能的关键参数，其中Q235钢耗能板厚度与设计承载力呈线性关系[11]：
(1-1)
最佳套筒间隙为2 mm，空隙个数以2~3个为宜。本文在此基础上，进一步验证该节点在实际网架结构中的应用效果。
Figure 3. Overall design of energy-dissipating joints
图3. 螺栓球耗能节点整体结构图
2. 提出问题
前期研究已明确螺栓球耗能节点的参数规律与耗能机理，但尚未解决其工程应用的核心问题：
1) 该节点在典型网架结构(如正放四角锥网架)中的合理布置位置如何？能否精准覆盖关键受力区域？
2) 在极限荷载下，含耗能节点的网架与普通网架相比，其变形控制能力与关键杆件受力状态是否存在显著差异？
3) 螺栓球耗能节点能否通过保护关键压杆，有效阻断连续性倒塌的“多米诺效应”？针对上述问题，本文以正放四角锥网架为载体，通过有限元模拟与对比分析，验证耗能节点的抗倒塌效能，填补“节点耗能–网架抗倒塌”的研究缺口。
3. 研究内容与方法
正放四角锥网架结构是现今常用的一种网架结构，本文以正放四角锥网架结构为例，分别建立含有螺栓球耗能节点的正放四角锥网架结构和不含有螺栓球耗能节点的正放四角锥网架结构，进行模拟分析，对双方加载过程一致，观察有螺栓球耗能节点的正放四角锥结构和不含有螺栓球耗能节点的正放四角锥网架结构的挠度，杆件进行对比分析。证明有螺栓球耗能节点的正放四角锥网架结构可以提高正放四角锥网架结构的极限承载力。
3.1. 普通网架模型
采用ANSYS 19.0，由于LINK8单元，仅承轴力，符合网架受力特性[12]，采用LINK8单元，分两类模型：
选取应用较广的周边点支撑的正放四角锥网架结构，网格尺寸为3 m × 3 m，整体平面尺寸为33 m × 3 0m，采用螺栓球节点。支承形式选取上弦支承形式，布置周边点支撑时，每边布置4个点支撑，支座为固定铰支座。下弦杆截面尺寸为mm，上弦杆截面尺寸为mm，腹杆截面尺寸为mm。所有杆件采用Q235钢管，屈服强度
，泊松比为0.3，弹性模量为210 GPa，密度为7850 Kg/mm3。
模型中上弦杆为241根，下弦杆为199根，腹杆为440根，共有节点242个。
对图4中的正放四角锥网架进行静力分析，如图4所示，采用点支撑，每边设4个点支撑，约束X、Y、Z三个方向自由度。作用在结构上的荷载分为永久荷载与可变荷载，永久荷载包括杆件及节点的自重、屋面及吊顶装饰等；可变荷载则有活荷载、风载、雪载、地震作用等等[12]。通过计算，其中恒载取值0.8 KN/m2，活载取值0.5 KN/m2，雪载取0.5 KN/m2，由于风载与活载不同时考虑只取最不利的组合，故本节中静载组合为：
(3-1)
最终，计算结构所承受总荷载，将其换算为节点荷载，施加节点荷载。荷载施加图如图4所示。
3.2. 耗能网架模型
网架结构在受力时，主要是在跨中和端边受力最大，所以在布置螺栓球耗能节点时，主要布置在上述所言位置。
正放四角锥网架结构基本模型参数如同上文所述。其中，将普通节点化为螺栓球耗能节点，直接从结构中实现较难。采用，将三种截面的单个杆件，分别做下接螺栓球耗能节点和无螺栓球耗能节点的静力分析与稳定性分析，由模拟所得，下接螺栓球耗能节点的杆件的极限承载力大于无耗能节点的杆件的极限承载力。
应用模拟所得数据，将上午中三种截面改为应用螺栓球耗能节点后的三种截面。腹杆截面755 mm变为758 mm，上弦杆截面908 mm变为10 mm，下弦杆截面856 mm变为858 mm。仍然使用LINK8单元，支撑布置等参数仍然不变，结构受载，恒载为0.8 KN/m2，活载为1.0 KN/m2。模型加载后如图5所示。
两个模型具有一致性：支撑、荷载与普通网架一致，仅关键区域节点不同。
Figure 4. Load application diagram of the square pyramid grid structure
图4. 正放四角锥网架结构荷载施加图
Figure 5. Grid model with energy consuming nodes
图5. 有螺栓球耗能节点的网架模型
3.3. 分析方法
采用静力非线性分析，分三阶段：
1) 普通网架正常荷载分析：验证模型合理性；
2) 普通网架极限荷载分析：获取倒塌前临界变形与强度；
3) 耗能网架极限荷载分析：对比挠度、轴力差异，评估节点效能。
核心指标：最大竖向挠度(对比规范允许值l/250 = 120 mm，l = 30 m)、关键杆件轴力(对比Q235钢承载力)、位移/轴力分布。
4. 研究结果与分析
4.1. 普通网架性能
4.1.1. 正常荷载下
变形：跨中最大挠度19.57 mm (远小于120 mm)，变形对称(跨中→周边递减)；
强度：811单元最大压力123.998 kN，871单元最大拉力219.126 kN (均小于Q235钢承载力，如下弦杆φ85 × 6 mm 承载力 ≈ 362 kN)，模型设计合理。
4.1.2. 极限荷载下
变形：最大挠度170 mm (超允许值41.7%)，跨中变形集中，杆件屈曲趋势明显(4-1)；强度：811单元压力177 kN (超稳定承载力8.6%，λ = 120，φ = 0.45，
，
)，871单元拉力313 kN (接近极限承载力330 kN)，结构失稳临界(图7)。
Figure 6. Cloud chart of vertical displacement of square pyramid grid structure
图6. 正放四角锥网架结构变形云图
Figure 7. Diagram of the structure axis of the square pyramid space truss
图7. 正放四角锥网架结构轴力图
4.2. 耗能网架性能(极限荷载下)
4.2.1. 变形控制
最大挠度115 mm (符合120 mm允许值)，较普通网架降低32.4% (图8)。位移分布曲线显示，跨中至周边位移均小于普通网架，核心区域差异显著(115 mm vs 170 mm)，节点“让位效应”缓解变形集中，避免压杆失稳。
4.2.2. 强度保护
811单元压力141 kN (较普通网架降20.3%)，小于等效截面承载力148 kN (λ = 100, φ = 0.55)；871单元拉力250 kN (降20.1%)，远小于等效截面承载力483 kN (图9)，关键杆件均安全。
Figure 8. Cloud chart of vertical displacement of square pyramid grid structure
图8. 正放四角锥网架结构变形云图
Figure 9. Diagram of the structure axis of the square pyramid space truss
图9. 正放四角锥网架结构轴力图
4.2.3. 位移和轴力分布
将耗能网架结构与普通网架结构的按照从周边到跨中位置的顺序，做两个网架结构的位移分布曲线如图10所示。
根据图11所示，从周边到跨中位置，耗能网架结构的竖向位移在同样的位置上要小于普通网架结构。耗能网架结构的杆件所承受的变形要更为小，针对网架结构的连续性倒塌破坏而言，主要是由于受压杆件的失稳破坏，杆件的变形小，其稳定性就越高。在变形而言，耗能网架结构的杆件相对于普通网架结构来说更不容易发生失稳破坏。
根据上文所示，耗能网架结构与普通网架结构的最大受压杆件和最大受拉杆件是相同的，都是871单元与811单元。从云图中也可以看出整体来说，轴力大小的分配，也基本相同。从强度大小而言，普通网架结构的最大压力为177 KN，最大拉力为313 KN，都已超出杆件得设计承载力，杆件将会发生破坏，此时，普通网架结构会发生连续性倒塌破坏；而耗能网架结构得最大压力为141 KN，最大拉力为250 KN，仍在杆件得设计承载力之下，杆件仍然可以正常承载。
选取5个关键位置(跨中上弦杆1、周边上弦杆2、跨中斜腹杆3、跨中下弦杆4、周边斜腹杆5)，耗能网架各位置轴力均低于普通网架，且分布更均匀(图11)，耗能板吸能减少内力向关键杆件传递。
Figure 10. Displacement distribution curve
图10. 位移分布曲线
Figure 11. Axial force distribution curve
图11. 轴力分布曲线
4.3. 节点抗倒塌机理
极限荷载下，节点通过双重机制生效：
1) 能量耗散：耗能板塑性剪切将机械能转化为变形能，降低结构总能量输入；
2) 变形协调：小套筒嵌入大套筒提供额外变形空间，避免局部屈曲，通过位移重分布均匀内力，阻断“局部失稳–整体倒塌”连锁反应。
5. 结论
该研究旨在验证一种新型“螺栓球耗能节点”在实际网架结构中的抗连续性倒塌效能。该节点基于前期研究，通过内置的耗能板和大小套筒实现“金属剪切吸能”与“让位效应”双重耗能机制。
论文采用ANSYS有限元软件，建立了一个33 m × 30 m的周边点支撑正放四角锥网架模型。作者对比分析了两种模型：“无耗能节点普通网架”和“有耗能节点网架”，在极限荷载(恒载0.8 kN/m2 + 活载1.0 kN/m2)作用下的结构变形与强度性能。
研究结果表明，与普通网架相比，采用耗能节点的网架结构在极限荷载下：
1. 变形更小：最大挠度降低了32.4%，满足规范要求，有效避免了因变形过大导致的压杆失稳。
2. 强度更高：关键杆件的最大压力和拉力分别降低了20.3%和20.1%，均在材料设计承载力范围内，保护了杆件免于强度破坏。
结论认为，该螺栓球耗能节点能有效阻断“关键压杆失稳→整体倒塌”的路径，显著提升网架结构的抗连续性倒塌能力，为工程应用提供了理论依据。
基金项目
齐鲁理工学院校级科研项目“新型螺栓球耗能节点的研究”(QIT23NN029)。
NOTES
*通讯作者。