矩形鋼管混凝土桁架Y型受拉節點受力性能分析*

向忠寶，王 偉，程 高，聶記良，常啟忠

(1.中交隧道局第二工程有限公司，陜西 西安 710100； 2.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064)

矩形鋼管混凝土桁架Y型受拉節點受力性能分析*

向忠寶1，王 偉1，程 高2，聶記良1，常啟忠1

(1.中交隧道局第二工程有限公司，陜西 西安 710100； 2.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064)

以某矩形鋼管混凝土桁梁橋為例，將K型節點分解為Y型受拉節點和Y型受壓節點，從最基本的Y型受拉節點著手，建立非線性有限元分析模型，分析弦管內填混凝土、設置PBL加勁肋等參數對節點變形、破壞形式及應力分布等的影響。結果表明：內填混凝土能夠提高節點抵抗變形能力，降低節點的應力水平，但易出現鋼管與混凝土脫粘現象；設置PBL加勁肋后可有效增加鋼管與混凝土界面的黏結力，阻止界面脫粘，顯著提高節點抵抗變形能力，明顯降低節點的應力水平，有效提高節點的極限承載力和節點剛度。

橋梁工程；鋼管混凝土；桁架；受拉節點；Y型；極限承載力；有限元分析

0 引 言

矩形鋼管內填混凝土后鋼管的抗屈曲性能增強[1]，構件軸壓承載力顯著提高，節點處鋼管抵抗變形能力增強，應力水平顯著降低，而且桁架節點連接構造簡單，這些優點使得鋼管混凝土結構在橋梁工程領域中取得廣泛應用[2]。隨著矩形鋼管混凝土構件、節點及桁架結構理論研究的深入和鋼管混凝土施工技術的進步，國內外首座矩形鋼管混凝土組合桁梁橋——陜西延安黃延高速公路K15+644車行天橋已順利建成通車。

矩形鋼管混凝土組合桁梁橋的桁架節點是結構的薄弱部位。桁架節點的形式主要有Y型、K型和N型。其中：K型和N型形式可等效為若干Y型受拉或受壓節點，筆者擬從Y型節點入手分析和揭示鋼管混凝土受拉節點的工作機理。劉永健等[3]對T型節點進行了試驗分析，發現鋼管內填混凝土改變了節點區域的應力分布，但對節點承載力提高不顯著[4]。J.A.PACKER等[5-6]進行了矩形鋼管混凝土T型節點受拉試驗，指出矩形鋼管混凝土節點極限承載力較高，但達到極限承載力時節點局部變形均較大，節點承載力由局部變形控制，建議計算鋼管混凝土節點承載力時可不考慮管內混凝土作用，按矩形鋼管節點考慮，同時指出腹弦管寬度比較大時，弦管內填混凝土有可能提高節點承載力。程高等[7-8]在文獻[5]基礎上增加PBL加勁肋，進行了不等寬T型受拉節點的有限元分析，發現設置PBL加勁肋可成倍提高節點抗拉剛度、承載力和疲勞壽命。

前人研究方法主要為試驗研究，受試驗場地和加載能力限制，試驗尺寸相對較小，腹弦管寬度比不大。國內外首座矩形鋼管混凝土組合桁梁橋——陜西延安黃延高速公路車行天橋節點尺寸較大，腹弦管寬度比接近于1，且弦管中設置PBL加勁肋[9]，與以往研究對象差異較大。為此，筆者采用非線性有限元分析方法建立桁架節點足尺模型，分析弦管內填混凝土、設置PBL加勁肋等參數對節點變形、破壞形式及應力分布等的影響，以期能夠進一步揭示矩形鋼管混凝土節點的受力性能，為鋼管混凝土結構的推廣應用提供技術支持。

1 桁架受拉節點構造形式

從矩形鋼管混凝土組合桁梁橋——陜西延安黃延高速公路K15+644車行天橋桁架節點中萃取出Y型受拉節點，該節點腹管與弦管寬度之比為1，腹管與弦管夾角為45°，節點連接區域弦管內設PBL加勁肋。為便于對比分析弦管內填混凝土及PBL加勁肋對節點受力性能的影響，在此基礎上，筆者設計了鋼管節點和鋼管混凝土節點，構造形式如圖1。

圖1 節點構造(單位：cm) Fig.1 Connection structure

圖1中，鋼管節點、鋼管混凝土節點及帶PBL加勁肋的鋼管混凝土節點中弦管、腹管幾何尺寸相同，鋼管為Q345，管內混凝土標號為C50微膨脹混凝土。PBL加勁肋的設置長度為200 cm，肋高90 mm，開孔孔徑為45 mm，開孔孔距100 mm。

2 有限元模型

采用有限元軟件ABAQUS建立Y型受拉節點計算模型，并考慮鋼材和混凝土的材料非線性、幾何非線性。由于鋼管混凝土與混凝土界面黏結的非線性對節點承載力影響敏感性較小，為提高計算效率，筆者將鋼管混凝土界面接觸按線性關系處理。

2.1 鋼和混凝土的本構關系

鋼的應力-應變關系采用二折線彈塑性模型，鋼材的屈服強度fy、極限抗拉強度fu、彈性模量Es及泊松比νs如表1。混凝土本構模型采用ABAQUS軟件提供的混凝土塑性損傷模型[10]，混凝土單軸受壓和單軸受拉應力-應變關系采用GB50010—2010《混凝土結構設計規范》[11]中的素混凝土本構關系，混凝土軸心抗壓強度fck、軸心抗拉強度ft、彈性模量Ec及泊松比νc如表1。

表1 材料的力學指標Table 1 Mechanical indexes of materials

2.2 鋼-混界面模型

ABAQUS軟件中鋼管與混凝土界面采用線彈性黏性滑移行為實現，該規則允許互相黏結界面出現分離，用于模擬摩擦力與滑移量成一定比例的界面接觸，被廣泛用于模擬具有黏性的接觸面[12]。

2.3 單元選取與網格劃分

弦管、腹管中鋼管采用ABAQUS軟件提供的S4R殼單元，沿厚度方向的辛普森積分點為5個，網格尺寸約為(30×30) mm。混凝土采用C3D8R實體單元，網格尺寸約為(30×30×30) mm。鋼管和混凝土采用結構化網格劃分技術，焊縫采用自由網格劃分技術，模型網格劃分如圖2。

圖2 網絡劃分Fig.2 Mesh division

2.4 荷載及邊界條件

Y型受拉節點受力如圖3。將弦管、腹管鋼管端面與鋼性面采用綁定約束，并建立參考點與鋼性面的剛性連接。約束參考點RP2、RP3的DX、DY、DZ、RX、RY、RZ的自由度，對參考點RP1施加軸向位移25 mm。

圖3 邊界條件Fig.3 Boundary condition

2.5 參數選取依據

筆者有限元模型參數參考了程高[12]的研究成果。程高[12]進行了鋼管、混凝土材料本構模型驗證，鋼混界面模型對比，單元網格及網格密度選取，PBL加勁肋模擬方法對比等研究，通過大量構件、節點試驗與理論分析驗證了模擬方法的可靠性。

3 結果分析

3.1 破壞模式

根據有限元分析結果，得到腹管施加25 mm軸向位移后節點的變形狀況，如圖4。

圖4 破壞形式Fig.4 Failure modes

由圖4(a)可知：空鋼管節點連接區域變形較大，鋼管出現局部屈曲；由圖4(b)可知：鋼管混凝土節點較空鋼管節點局部變形稍小，鋼管與混凝土出現脫粘現象；由圖4(c)可知：帶PBL加勁肋的鋼管混凝土節點處鋼管與混凝土未出現脫粘。

由此可見，弦管內填混凝土后節點局部變形減小，設置PBL加勁肋可有效增加鋼管與混凝土界面的黏結力，阻止界面脫粘。鋼管混凝土結構受混凝土收縮徐變、溫度作用等影響界面粘結力容易被克服而脫粘[13]，設置PBL加勁肋可顯著改善鋼管混凝土結構長期工作的性能。

3.2 應力分析

為分析弦管內填混凝土、設置PBL加勁肋對節點應力分布的影響，筆者分別選取腹管軸向應力為1、100 MPa時節點的MISES應力分布情況，如圖5。

圖5 節點應力分布Fig.5 Connection stress distribution

當腹管軸向應力為1 MPa時，鋼管名義應力大小即為節點的應力集中系數，反映了節點應力集中程度。由圖5(a)～(c)可知：鋼管節點的應力集中程度顯著高于鋼管混凝土節點，帶PBL加勁肋的鋼管混凝土應力集中程度最小。當腹管軸向應力為100 MPa時，節點應力分布反映了節點在彈性工作狀態下節點的應力狀態。由圖5(d)～(f)可知：鋼管節點應力水平顯著高于鋼管混凝土節點，帶PBL加勁肋的鋼管混凝土的應力水平明顯低于鋼管混凝土節點。

由此可見：弦管內填混凝土能降低節點的應力集中程度，降低彈性工作階段節點的應力水平，設置PBL加勁肋后，節點應力集中程度顯著減小，節點的應力水平明顯降低。定義A板為腹管上與弦管頂板相連的鋼板，B板為腹管上與弦管腹板相連的鋼板，C板為弦管的頂板。節點受拉時，B板應力顯著高于A板應力，C板接近弦管腹板處的應力最大，遠離弦管腹板處的應力呈減小趨勢。腹管受到的拉力主要由與弦管腹板相連的B板承擔，A板承擔比例較小。這種現象在空鋼管節點上表現最為突出，其次是鋼管混凝土節點。設置PBL加勁肋后A板與PBL加勁肋連接處應力增加，C板與腹管連接區域應力接近，B板承擔拉力減少，A板承擔拉力增加，從而有效改善受拉節點的受力特性。

3.3 極限承載力

為分析Y型受拉節點的極限承載力，筆者提取了腹管軸向荷載隨著軸向位移的變化曲線，如圖6。

由圖6可知：弦管內填混凝土后Y型受拉節點的極限承載力提高達20%，設置PBL加勁肋后Y型受拉節點較空管節點的極限承載力提高達25%。取節點彈性工作階段軸向荷載-位移曲線的斜率為節點抗拉剛度。弦管內填混凝土后Y型受拉節點的抗拉剛度提高達21%，設置PBL加勁肋后Y型受拉節點較空管節點的抗拉剛度提高達29%。

由此可見：弦管內填混凝土可顯著提高節點承載力和節點抗拉剛度，設置PBL加勁肋能進一步提高節點承載力，但較混凝土節點提高并不顯著。

程高等[7]進行了腹弦管寬度比為0.4的T型節點受拉分析，指出設置PBL加勁肋可成倍提高節點承載力，驗證了PBL加勁肋的優勢。節點承載力和抗拉剛度受腹弦管寬度之比影響較大。腹管與弦管寬度接近時，腹管拉力主要由與弦管腹板相連的兩塊板承擔，并傳遞至弦管腹板，與弦管頂板相連兩塊板承擔較少，傳遞至弦管頂板的拉力也較小；設置PBL加勁肋可增加與弦管頂板相連兩塊板承擔的拉力，但改善并不顯著。腹管寬度小于弦管寬度時，腹管拉力全部傳遞至弦管頂板，設置PBL加勁肋后可顯著增加弦管頂板與管內混凝土的連接力，從而極大地提高節點承載力。

由此可見：PBL加勁肋在提高鋼管與混凝土界面連接力，顯著提高不等寬節點的承載力。

圖6 軸向荷載-軸向位移曲線Fig.6 Axial load-axial displacement curve

4 結 論

筆者從國內外首座矩形鋼管混凝土組合桁梁橋——陜西延安黃延高速公路K15+644車行天橋桁架節點中萃取出Y型受拉節點，建立起節點足尺有限元分析模型，得出如下結論：

1) 較空鋼管節點，弦管內填混凝土后節點局部變形減小，但易發生鋼管與混凝土界面脫粘現象，設置PBL加勁肋可有效增加鋼管與混凝土界面的黏結力，阻止界面脫粘，提高節點抵抗變形能力，解決了鋼管混凝土結構易受收縮徐變、溫度作用影響而脫粘問題，從而提高鋼管混凝土結構的耐久性。

2) 較空鋼管節點，弦管內填能在一定程度降低節點的應力集中程度，降低彈性工作階段節點的應力水平，設置PBL加勁肋后，節點的應力集中程度顯著減小，節點的應力水平明顯降低，從而能夠提高節點的抗疲勞性能。

3) 較空鋼管節點，弦管內填混凝土后Y型受拉節點的極限承載力提高達20%，節點的抗拉剛度提高達21%，設置PBL加勁肋后Y型受拉節點較空管節點的極限承載力提高達25%以上，節點的抗拉剛度提高達29%。設置PBL加勁肋后可顯著增加弦管頂板與管內混凝土的連接力，從而極大地提高節點承載力，這種優勢在不等寬節點中表現突出。

[1] 曹遠軍，黃明奎，莊家智，等.矩形鋼管混凝土柱局部屈曲分析[J].重慶交通大學學報(自然科學版)，2010，29(1)：30-32.

CAO Yuanjun，HUANG Mingkui，ZHUANG Jiazhi，et al. Local buckling performance of rectangular concrete-filled steel columns[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience)，2010，29 (1)：30-32.

[2] 程高，劉永健，俞文龍，等.方鋼管混凝土X型節點受拉力學性能的非線性有限元分析[J].合肥工業大學學報(自然科學版)，2015，38(3)：358-362.

CHENG Gao，LIU Yongjian，YU Wenlong，et al. Nonlinear finite element analysis of concrete-filled square steel tube X-connections subjected to tension[J].JournalofHefeiUniversityofTechnology(NaturalScience)，2015，38(3)：358-362.

[3] 劉永健，周緒紅，劉君平.主管內填混凝土的矩形鋼管X型節點受拉和受彎性能試驗研究[J].建筑結構學報，2009，30(1)：82-86.

LIU Yongjian，ZHOU Xuhong，LIU Junping. Experimental research on rectangular steel tube X-joints with chord concrete-inside subjected to tension and bending[J].JournalofBuildingStructures，2009，30(1)：82-86.

[4] 同濟大學，浙江杭蕭鋼構股份有限公司.矩形鋼管混凝土結構技術規程：CECS 159：2004[S].北京：中國計劃出版社，2004.

Tongji University，Zhejiang Hangxiao Steel Structure Limited Company.TechnicalSpecificationforStructureswithConcrete-filledRectangularSteelTubeMembers：CECS159：2004[S]. Beijing：China Planning Press，2004.

[5] PACKER J A. Concrete-filled HSS connections[J].JournalofStructuralEngineering，1995，121(3)：458-467.

[6] PACKER J A，HENDERSON J E.空心管結構連接設計指南[M].曹俊杰，譯.北京：科學出版社，1997.

PACKER J A，HENDERSON J E.GuideforStructuralConnectionDesignofHollowTubes[M]. CAO Junjie，translation. Beijing：Science Press，1997.

[7] 程高，劉永健，田智娟，等.PBL加勁型矩形鋼管混凝土不等寬T型節點受拉性能[J].長安大學學報(自然科學版)，2015，35(3)：83-90.

CHENG Gao，LIU Yongjian，TIAN Zhijuan，et al. Tensile behavior of PBL stiffened concrete-filled rectangular steel tubular unequal T-connections[J].JournalofChang’anUniversity(NaturalScienceEdition)，2015，35(3)：83-90.

[8] 程高，劉永健，邱潔霖，等.PBL加勁型矩形鋼管混凝土不等寬T型節點應力集中系數分析[J].建筑科學與工程學報，2014，31(4)：74-79.

CHENG Gao，LIU Yongjian，QIU Jielin，et al. Analysis of stress concentration factor on concrete-filled rectangular steel tube T-joints stiffened with PBL[J].JournalofArchitectureandCivilEngineering，2014，31(4)：74-79.

[9] 劉亮.矩形鋼管混凝土組合桁架連續梁橋試設計研究[D].西安：長安大學，2013.

LIU Liang.ExperimentallyDesignandStudyofCompositeTrussedContinuousBeamBridgewithConcrete-FilledRectangularSteelTube[D]. Xi’an：Chang’an University，2013.

[10] Abaqus Inc.AbaqusAnalysisUser’sManual2010[M]. Providence，Rhode Island：AbaqusInc，2010.

[11] 中國建筑科學研究院.混凝土結構設計規范：GB 50010—2010[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

China Academy of Building Research.CodeforDesignofConcreteStructures：GB50010—2010[S]. Beijing：China Architecture & Building Press，2011.

[12] 程高.PBL加勁型矩形鋼管混凝土結構工作機理研究[D].西安：長安大學，2015.

CHENG Gao.ResearchontheMechanismofRectangularConcrete-filledSteelTubeStructureStiffenedwithPBL[D]. Xi’an：Chang’an University，2015.

[13] 楊世聰，王福敏，渠平.核心混凝土脫空對鋼管混凝土構件力學性能的影響[J].重慶交通大學學報(自然科學版)，2008，27(3)：360-365.

YANG Shicong，WANG Fumin，QU Ping. Brief introduction to the core concrete’s empty influence on the mechanical performance of concrete filled steel tube components[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience)，2008，27(3)：360-365.

Mechanical Behavior Analysis on Y-Type Tension Joint ofRectangular Concrete-Filled Steel Tube Truss

XIANG Zhongbao1，WANG Wei1，CHENG Gao2，NIE Jiliang1，CHANG Qizhong1

(1. CCCC Tunnel of the Second Engineering Company Limited，Xi’an 710100，Shaanxi，P. R. China; 2. School of Highway，Chang’an University，Xi’an 710064，Shaanxi，P. R. China)

Taking a rectangular concrete-filled steel tubular truss bridge as an example，the K-type connections were divided into Y-type tension joints and Y-type compression joints. The nonlinear finite element analysis model was established from the most basic Y-type tensile joints. The influence of the parameters such as the concrete filled in the chord and the PBL stiffener on the deformation，failure mode and stress distribution of the joints were analyzed. The results show that filling concrete in steel tube can increase anti-deformation ability and reduce stress level of the joints，but the phenomenon of debonding between the steel pipe and concrete is easy to occur; setting PBL stiffener can effectively increase the bonding force of the interface between steel and concrete，prevent interface debonding，greatly improve the node deformation resistance，obviously decrease the node stress level and effectively improve the ultimate bearing csapacity of the node and the node stiffness.

bridge engineering; concrete-filled steel tube; truss; tension joint; Y-connection; ultimate bearing capacity; finite element analysis

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.12.01

2016-07-01；

2016-11-08

中央高校基本科研業務費資助項目(310821161004)

向忠寶(1982—)，男，四川綿陽人，工程師，主要從事橋梁工程方面的工作。E-mail：1337076901@qq.com。

程 高(1988—)，男，河南泌陽人，工程師，博士，主要從事橋梁工程方面的研究。E-mail：1255726999@qq.com。

U441+.5

A

1674-0696(2017)12-001-05

劉韜)