空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)鋼管混凝土柱節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能足尺試驗(yàn)及分析

李明方　蔡元奇　盧云祥　婁澤方

摘要：采用足尺試驗(yàn)與數(shù)值仿真相結(jié)合的方法研究空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中的鋼管混凝土柱節(jié)點(diǎn)的受力及抗震性能。試驗(yàn)荷載逐級(jí)加載到設(shè)計(jì)荷載的1.6倍并觀測(cè)柱節(jié)點(diǎn)的變形與應(yīng)力。試驗(yàn)結(jié)果表明試驗(yàn)荷載下柱節(jié)點(diǎn)鋼結(jié)構(gòu)部分基本處于彈性狀態(tài)，混凝土極小部分區(qū)域超出壓應(yīng)力極限，鋼管與混凝土粘接良好。非線性有限元分析結(jié)果揭示了柱節(jié)點(diǎn)在低周往復(fù)荷載作用下的滯回耗能能力和破壞特征，指出了柱節(jié)點(diǎn)承載的薄弱位置，給出了柱節(jié)點(diǎn)的極限承載力。結(jié)果表明，足尺試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法可以全面揭示柱節(jié)點(diǎn)的受力特性及抗震性能。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土柱節(jié)點(diǎn)；足尺試驗(yàn)；非線性有限元；極限承載力；滯回耗能能力

中圖分類號(hào)：TU375.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：16744764（2013）06007309

近年來(lái)一些學(xué)者對(duì)鋼管混凝土柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能進(jìn)行了很多有益的探討，主要研究了鋼管混凝土柱與鋼梁連接的各種節(jié)點(diǎn)的抗震性能并發(fā)展了節(jié)點(diǎn)抗震性能計(jì)算的非線性有限元方法，如：Nishiyama等[1]對(duì)10個(gè)鋼管混凝土柱鋼梁節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了高強(qiáng)度材料對(duì)柱節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響。Zhang等[2]分析了4個(gè)加腋型鋼管混凝土柱鋼梁節(jié)點(diǎn)的抗震性能，重點(diǎn)研究了加腋板區(qū)域的剪切失效行為，結(jié)果顯示失效模式對(duì)應(yīng)力分布的特征有重要影響。Kang等[3]研究了方鋼管混凝土柱與H型鋼連接節(jié)點(diǎn)的抗震性能。堯國(guó)皇等[4]提出了一種鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁的新型節(jié)點(diǎn)形式，節(jié)點(diǎn)符合“強(qiáng)柱、弱梁、節(jié)點(diǎn)更強(qiáng)”的抗震設(shè)計(jì)原則。Cheng等[5]研究了4個(gè)帶鋼筋混凝土板的鋼管混凝土柱鋼梁節(jié)點(diǎn)的抗震性能，未觀察到節(jié)點(diǎn)連接板區(qū)域的破壞。Han等[6]通過(guò)試驗(yàn)研究了帶鋼筋混凝土板的鋼管混凝土柱鋼梁節(jié)點(diǎn)的抗震性能，6個(gè)試件分別觀察到梁失效和柱失效模式。Schneider等[7]研究了鋼管混凝土柱與工字型鋼梁的不同連接形式對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)貫通的腹板連接和貫通的翼緣板連接表現(xiàn)出最優(yōu)滯回循環(huán)特性。劉士潤(rùn)[8]對(duì)穿透式鋼管混凝土柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了研究，分別得到了節(jié)點(diǎn)的延性、耗能能力和轉(zhuǎn)動(dòng)剛度等參數(shù)，并建立了節(jié)點(diǎn)連接處抗彎承載力計(jì)算公式和受剪承載力公式。霍靜思等[9]基于彈塑性有限元理論建立了鋼管混凝土柱鋼梁節(jié)點(diǎn)荷載位移全過(guò)程非線性有限元模型。Tort等[1011]發(fā)展了一種混合有限元方法，將12自由度梁增加6個(gè)平移自由度，來(lái)模擬靜力和動(dòng)力荷載下鋼管混凝土柱鋼梁框架的受力性能。Li等[12]采用有限元方法分析了帶鋼筋混凝土板的鋼管混凝土柱鋼梁節(jié)點(diǎn)在循環(huán)荷載下的抗震性能，分析中考慮了幾何非線性和材料非線性，并分析了節(jié)點(diǎn)特定參數(shù)對(duì)抗震性能的影響。這些研究成果極大的促進(jìn)了鋼管混凝土柱節(jié)點(diǎn)在工程中的應(yīng)用。

本文介紹了一種新型鋼管混凝土柱空間網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)，采用足尺試驗(yàn)與數(shù)值仿真相結(jié)合的方法研究了這種復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的受力特性及抗震性能。首先詳細(xì)介紹了節(jié)點(diǎn)足尺試驗(yàn)的試驗(yàn)方案及結(jié)果，隨后采用有限元ABAQUS對(duì)節(jié)點(diǎn)的受力性能及耗能性能進(jìn)行數(shù)值仿真，分析中考慮了材料非線性和幾何非線性，并考慮了鋼管和混凝土之間的接觸單元。將有限元結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，吻合較好。有限元結(jié)果給出了節(jié)點(diǎn)的破壞模式、極限承載力及滯回耗能能力，并給出了節(jié)點(diǎn)在各種狀態(tài)下的應(yīng)力分布云圖。

1試驗(yàn)背景

某國(guó)際博覽中心大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主展館屋蓋主要采用空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)通過(guò)鋼管混凝土柱節(jié)點(diǎn)與鋼管混凝土柱連接。鋼管混凝土柱節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的連接如圖1所示，節(jié)點(diǎn)位于柱的頂端，節(jié)點(diǎn)底部標(biāo)高19.335 m，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的支管貫通鋼管混凝土柱，支管和柱頂端的交匯區(qū)域形成鋼管混凝土柱節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)實(shí)體龐大，受力復(fù)雜。柱節(jié)點(diǎn)與鋼管混凝土柱焊接為整體，內(nèi)部混凝土同時(shí)澆注。柱節(jié)點(diǎn)鋼管柱的直徑為1.4 m，各支管通過(guò)耳板及肋板與鋼管柱連接，并深入鋼管柱內(nèi)部相交，其設(shè)計(jì)構(gòu)造如圖2所示。由于該鋼管混凝土柱節(jié)點(diǎn)位于結(jié)構(gòu)的重要位置，且在不同工況條件下柱節(jié)點(diǎn)應(yīng)力變化幅度大，其承載能力直接影響到整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性，因此需要對(duì)該柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行受力性能和抗震性能研究。

2足尺試驗(yàn)

2.1加載系統(tǒng)及試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

鋼節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是設(shè)計(jì)出安全可靠的加載系統(tǒng)，其中包括反力裝置、加載設(shè)備、加載控制系統(tǒng)和加載方案等。本次試驗(yàn)的反力裝置主要利用武漢大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)大廳三面L型反力墻和大型承力架。把試件放在大型承力架的空間內(nèi)，綜合利用L型反力墻和大型承力架，可以實(shí)現(xiàn)多桿件任意角度同時(shí)加載。試驗(yàn)加載設(shè)備主要為液壓加載設(shè)備，有手動(dòng)液壓加載器、電動(dòng)液壓加載器和液壓伺服操作平臺(tái)，并配合與之匹配的單向液壓千斤頂和雙向液壓張拉頂。柱節(jié)點(diǎn)試件采用1∶1足尺試件，試件制作標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際工程中的節(jié)點(diǎn)相同。試驗(yàn)中為了減小加載裝置對(duì)試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布的影響，各支管均取一定的外伸尺寸，外伸尺寸結(jié)合反力墻、反力架和加載裝置的尺寸綜合確定得到。支管端加封頭板和加勁肋，以保證節(jié)點(diǎn)在加載過(guò)程中不會(huì)因桿端局部集中受力而首先破壞。各支管尺寸如表2所示。

2.2應(yīng)變及位移測(cè)點(diǎn)布置

應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)共分四類，總計(jì)209個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖3和圖4所示。第一類測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)各支管的軸力，采用單向應(yīng)變片，測(cè)點(diǎn)編號(hào)S1～S32。第二類測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)柱節(jié)點(diǎn)鋼管壁上的應(yīng)力，采用應(yīng)變花，測(cè)點(diǎn)布置在各支管與柱相交的焊縫附近，沿柱各高程（距試件柱腳0.7、1.7、3.5、4.7和5.7 m）亦布置測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)編號(hào)T1～T32和T37～T55。第三類測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)各支管耳板上的應(yīng)力，采用應(yīng)變花，測(cè)點(diǎn)編號(hào)T33～T36。第四類測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)柱節(jié)點(diǎn)內(nèi)部連接板應(yīng)力，編號(hào)SB1～SB6和TB1～TB2，澆注混凝土后，第四類測(cè)點(diǎn)被混凝土包圍。

柱節(jié)點(diǎn)試件和千斤頂均由螺栓固定在反力墻上，試驗(yàn)過(guò)程中試件和千斤頂可能會(huì)滑動(dòng)，產(chǎn)生剛體位移，導(dǎo)致加載偏心等問(wèn)題。為此在柱節(jié)點(diǎn)試件的底部、中部和頂部布置位移測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，底部測(cè)點(diǎn)采用電子位移計(jì)，測(cè)點(diǎn)編號(hào)W1～W2，中部和頂部采用全站儀，測(cè)點(diǎn)編號(hào)Q1～Q2，位移測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。加載偏心可能使受壓桿件失穩(wěn)，不能達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康模?#支管受壓荷載較大，桿件最長(zhǎng)，因此在4#支管中部布置兩個(gè)位移測(cè)點(diǎn)監(jiān)控壓桿的加載狀況，采用電子位移計(jì)，測(cè)點(diǎn)編號(hào)W3～W4。

為了保證加載的準(zhǔn)確性，試件安裝時(shí)應(yīng)特別注意偏心問(wèn)題。首先用激光測(cè)距儀進(jìn)行初步對(duì)中，然后預(yù)加載20%，以消除安裝間隙，同時(shí)調(diào)試測(cè)試系統(tǒng)和應(yīng)變片工作狀態(tài)。預(yù)加載時(shí)密切觀測(cè)桿件上單向應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變，逐步調(diào)整加力點(diǎn)位置，直到各支桿中部截面各應(yīng)變一致為止。預(yù)加載完成后，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)調(diào)零開(kāi)始試驗(yàn)；共分19級(jí)同步加載，其中第14級(jí)為設(shè)計(jì)荷載。每級(jí)加載完成后停留10 min，再采集數(shù)據(jù)。加載到最大試驗(yàn)荷載并完成數(shù)據(jù)采集后，進(jìn)行分級(jí)卸載，完全卸載后采集各測(cè)點(diǎn)殘余應(yīng)變。

3試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1荷載校核

試驗(yàn)過(guò)程中為了確保每個(gè)支管上施加的荷載達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在各支管中部布置4個(gè)相差90°、沿桿軸向的單向應(yīng)變片來(lái)監(jiān)測(cè)支管上實(shí)際軸力。軸力計(jì)算采用線彈性理論，應(yīng)變?nèi)?個(gè)應(yīng)變片的平均值，這樣可以有效消除彎矩的影響。軸力的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6所示。從圖6可見(jiàn)，各支管在試驗(yàn)中測(cè)得的軸力與設(shè)計(jì)值基本吻合，說(shuō)明試驗(yàn)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，其結(jié)果可靠。

位移測(cè)點(diǎn)監(jiān)控的位移數(shù)據(jù)如圖7所示。由圖7可見(jiàn)，柱節(jié)點(diǎn)底部的測(cè)點(diǎn)位移值很小，最大約1.5 mm，可以判定試驗(yàn)過(guò)程中試件沒(méi)有產(chǎn)生剛體位移。其他各測(cè)點(diǎn)位移變化平穩(wěn)，無(wú)跳躍，最大位移不超過(guò)15 mm，沒(méi)有出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，試驗(yàn)滿足相關(guān)規(guī)范要求[14]，加載過(guò)程可靠。由柱節(jié)點(diǎn)的位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可見(jiàn)，鋼管混凝土柱上明顯存在彎矩作用，其上的水平位移主要由彎矩引起。

4數(shù)值分析

鋼管混凝土柱節(jié)點(diǎn)受力復(fù)雜，采用足尺試驗(yàn)與數(shù)值仿真相結(jié)合的方法可以更全面的把握節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)。足尺試驗(yàn)受到實(shí)驗(yàn)室加載條件的限制，反復(fù)荷載加載裝置更受到加載噸位的限制，同時(shí)足尺試驗(yàn)時(shí)鋼管內(nèi)部混凝土的應(yīng)力狀態(tài)不易監(jiān)測(cè)，而數(shù)值仿真加載不受限制，并且可以比較準(zhǔn)確地模擬試驗(yàn)過(guò)程中混凝土的應(yīng)力狀態(tài)，包括混凝土的開(kāi)裂、軟化等，更全面的反映節(jié)點(diǎn)的受力性能。本文采用有限元軟件ABAQUS對(duì)柱節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行加載過(guò)程分析，首先進(jìn)行試驗(yàn)荷載下靜力有限元分析，將有限元結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了有限元方法的正確性，隨后繼續(xù)加載，得到了柱節(jié)點(diǎn)的極限承載力，最后分析了柱節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)荷載作用下的力學(xué)性能。

數(shù)值計(jì)算模型中鋼管、耳板、加勁肋及內(nèi)部連接板采用殼單元，混凝土采用實(shí)體單元。模型忽略鋼管、連接板與混凝土之間的滑移，認(rèn)為鋼管層和混凝土層之間保持位移連續(xù)[1718]。鋼管混凝土柱中現(xiàn)場(chǎng)澆注了C40自密實(shí)混凝土，數(shù)值仿真中混凝土的本構(gòu)關(guān)系采用了混凝土損傷塑性模型[1920]。混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及損傷因子采用混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中的公式計(jì)算[21]。鋼管部分根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)材質(zhì)實(shí)驗(yàn)，本構(gòu)關(guān)系采用平頂三折線模型。鋼材屈服強(qiáng)度345 MPa，拉伸強(qiáng)度500 MPa。反向加載時(shí)，采用隨動(dòng)硬化模型，即考慮包辛格效應(yīng)。

數(shù)值仿真分3種加載方案。方案一對(duì)柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單加載，即保持各支管荷載的比例，逐步增加到試驗(yàn)荷載，將結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證有限元方法的正確性。方案二在方案一的基礎(chǔ)上繼續(xù)加載，直至計(jì)算不收斂，以期得到柱節(jié)點(diǎn)的極限承載力。方案三對(duì)柱節(jié)點(diǎn)施加低周反復(fù)荷載，考查柱節(jié)點(diǎn)在循環(huán)荷載作用下的力學(xué)性能，加載制度如圖12所示。

5結(jié)論

通過(guò)對(duì)空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)鋼管混凝土柱節(jié)點(diǎn)承載力試驗(yàn)和有限元分析，可得以下結(jié)論：

1）在1.6倍設(shè)計(jì)荷載作用下，鋼管混凝土柱節(jié)點(diǎn)基本處于彈性狀態(tài)，鋼管內(nèi)混凝土局部區(qū)域進(jìn)入塑性狀態(tài)。卸載后節(jié)點(diǎn)完好，剝開(kāi)外部鋼管，內(nèi)部的混凝土未見(jiàn)破壞，鋼管內(nèi)混凝土工作正常。節(jié)點(diǎn)滿足設(shè)計(jì)要求，有足夠的安全儲(chǔ)備。

2）柱節(jié)點(diǎn)破壞模式為單根支管（6#支管）首先形成塑性鉸而使柱節(jié)點(diǎn)達(dá)到承載力極限狀態(tài)，柱節(jié)點(diǎn)極限承載力約為2.74倍設(shè)計(jì)荷載，安全儲(chǔ)備較高。

3）節(jié)點(diǎn)的滯回耗能曲線較為飽滿，反復(fù)荷載作用下節(jié)點(diǎn)的耗能能力較強(qiáng)，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)合理。

4）數(shù)值仿真的計(jì)算條件較為理想，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有一定差異，進(jìn)行足尺試驗(yàn)十分必要。數(shù)值仿真是足尺試驗(yàn)的有力補(bǔ)充，數(shù)值計(jì)算給出了柱節(jié)點(diǎn)的極限承載力及節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)荷載作用下滯回耗能曲線。足尺試驗(yàn)與數(shù)值仿真互為補(bǔ)充，相互印證，將二者相結(jié)合可以全面了解此類柱節(jié)點(diǎn)的受力特性及抗震性能。

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（編輯呂建斌）