小比例尺組合桁架內(nèi)含式節(jié)點試驗研究＊*

周凌宇，張 花

(中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

西安—平?jīng)鲨F路的后河村特大橋、馬屋涇河特大橋、太峪大橋采用鋼－混凝土組合桁架結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)上、下弦桿采用鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土，并通過鋼腹桿形式將上下弦連接，不僅從造型上滿足了低建筑高度的結(jié)構(gòu)要求，而且通過充分發(fā)揮2種材料的力學(xué)性能，改善和提高了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，大幅度增強(qiáng)了整體的承載能力。

組合桁架在荷載作用下，端節(jié)點承受極大的水平推力，節(jié)點構(gòu)型復(fù)雜多變。目前，國外對該類節(jié)點已有研究［1－2］，并成功應(yīng)用于工程實踐，如日本2003年建成的Kinokawa高架橋;而國內(nèi)尚無先例。因此有必要選取典型節(jié)點形式進(jìn)行模型試驗，以評估該類結(jié)構(gòu)端節(jié)點較大水平推力作用下的受力性能、破壞模式以及極限承載力等情況，為西平鐵路橋梁節(jié)點的設(shè)計提供依據(jù)。本文研究的是耳板式組合節(jié)點。

1 試驗研究

1.1 試件設(shè)計

為了充分反映桁架結(jié)構(gòu)在節(jié)點處的受力性能，選取西平鐵路上的后河村特大橋、馬屋涇河特大橋、太峪大橋的橋梁端節(jié)點為原型?？紤]實驗室場地、加載能力、試件制作等多種因素，在保持節(jié)點兩鉸支座之間距離為2053 mm、試件高度為2308 mm的情況下，其余構(gòu)件按1∶3縮尺設(shè)計。節(jié)點如圖1所示，弦桿配筋圖見圖2。試驗中采用的混凝土為C50、鋼材為Q345，耳板與腹桿焊接，耳板與連接板采用M22高強(qiáng)螺栓連接，均與實際結(jié)構(gòu)一致。節(jié)點試驗前，對鋼材進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)試件的材性試驗，鋼材的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度等性能見表1［3］。

為確保結(jié)果準(zhǔn)確，分別對2個相同的試件進(jìn)行試驗。

表1 各材料性能表Table 1 The properties of material

1.2 加載裝置和加載制度

節(jié)點試驗基本加載方式有2種，一是以桁架整體結(jié)構(gòu)為加載對象;二是采用反力架和千斤頂對試驗節(jié)點直接加載。本文的試驗采用第2種加載方法，利用油壓千斤頂對弦桿一端進(jìn)行水平力單調(diào)靜力加載。如圖3所示，試驗采用地錨式自平衡體系，試件固定在型鋼混凝土底座上。同時為了盡量避免弦桿側(cè)移對節(jié)點性能的影響，在弦桿兩側(cè)增加了豎向支撐桿和側(cè)向支撐滑輪。試驗過程采用分級加載制度，在初始階段，每級荷載為400 kN，在2000～3000 kN區(qū)間，按200 kN每級進(jìn)行加載，3000 kN到破壞，每級荷載減為100 kN。

圖1 節(jié)點構(gòu)造圖Fig.1 Joint details

圖2 弦桿配筋圖Fig.2 The reinforcement of chord

圖3 試驗裝置及試件Fig.3 Test set－ up and specimen

1.3 測試方案

試驗中弦桿和內(nèi)置鋼筋的受力狀況通過布置于其上的單向應(yīng)變片了解;在弦桿核心區(qū)、腹桿和耳板上布置了三向應(yīng)變片來考察該區(qū)域應(yīng)力分布情況和應(yīng)變發(fā)展規(guī)律;同時為監(jiān)控節(jié)點整體受力情況，在弦桿、底座、腹桿端部均布置了豎向和水平向位移計［4－7］。由于節(jié)點破壞主要發(fā)生在弦桿核心和受壓腹桿處，本文只給出了區(qū)域的應(yīng)變片布置圖(見圖4)。

2 試驗結(jié)果

2.1 試驗現(xiàn)象

以試件一為例，當(dāng)荷載加到1800 kN時，所有應(yīng)變測點均處于彈性狀態(tài)，弦桿、腹桿荷載位移曲線呈線性關(guān)系。當(dāng)加載到2000 kN時，首先觀測到弦桿混凝土出現(xiàn)裂縫，分別發(fā)生在腹桿角偶處和節(jié)點核心位置。其中節(jié)點核心區(qū)域裂縫開裂方向與試件弦桿軸向約為40°夾角，開裂速度較快，且隨著荷載等級等級增大，多條平行裂縫相繼出現(xiàn)(圖5(a))，同時兩腹桿間也出現(xiàn)與弦桿方向一致的裂縫。當(dāng)加載至3000 kN時，角隅處裂紋與混凝土表面裂縫連通，同時受壓腹桿測點開始屈服;當(dāng)加載至3500 kN時，弦桿表面裂縫沿水平方向向加載端快速開展，核心區(qū)縱向鋼筋、箍筋、彎起鋼筋部分測點開始屈服，受拉腹桿測點進(jìn)入塑形;當(dāng)加載至3700 kN時，在弦桿加載遠(yuǎn)端靠近豎向支撐處出現(xiàn)兩條豎向裂紋，并貫穿混凝土背面，受壓腹桿發(fā)生局部失穩(wěn)(圖5(b))?？紤]到弦桿混凝土表面的裂縫已開展至較大程度，且受壓腹桿屈曲嚴(yán)重，加載至3800 kN時，停止了試驗加載。荷載撓度曲線見圖6。

圖4 應(yīng)變片布置示意圖Fig.4 Strain gauge location for joint

圖5 試件破壞特征Fig.5 Failure mode of specimen

2.2 破壞特征和節(jié)點承載力

從試驗可知，節(jié)點的破壞特征有:(1)弦桿混凝土大面積開裂破壞;(2)節(jié)點核心區(qū)內(nèi)置鋼筋屈服;(3)受壓腹桿屈曲破壞;(4)受拉腹桿較大范圍塑形破壞。

表2給出了2個試件弦桿的荷載位移數(shù)值?？梢钥闯?，試件一和試件二的極限承載力分別是380 kN和350 kN，此時，節(jié)點內(nèi)大部分測點已進(jìn)入塑性，弦桿混凝土表面大面積開裂，受壓腹桿出現(xiàn)明顯的凹凸現(xiàn)象，甚至引起腹桿側(cè)面撕裂。由于在節(jié)點整體屈服以前，受壓腹桿就已經(jīng)進(jìn)入屈服狀態(tài)，因此壁厚過小的腹桿成為節(jié)點的主要薄弱環(huán)節(jié)，它對節(jié)點承載力［8］的影響應(yīng)再深入探討。

表2 弦桿荷載位移數(shù)值表Table 2 The load－displacement number of chord

3 有限元分析

3.1 有限元分析模型

采用有限元分析［9－10］軟件ANSYS對試件進(jìn)行分析，有限元模型尺寸和邊界條件按照試驗建立，加載方式采用荷載控制。模擬過程中，按實際測得位移對模型中鋼腿處位移給與放松，并對試驗中施加拉桿的混凝土表面進(jìn)行豎向約束?；炷?、剪力鋼筋和耳板都采用八節(jié)點減縮積分格式的三維實體單元(SOLID45)，鋼筋采用三維桿性單元(LINK8)，鋼腿和鉸接部分采用彈塑性殼單元SHELL81。試件有限元分析模型見圖7。各材料的本構(gòu)關(guān)系是對節(jié)點試驗時所采用的材料經(jīng)力學(xué)性能試驗測定、材料說明和材料經(jīng)驗公式推算而來。

圖6 試件有限元模型Fig.6 The finite model

圖7 弦桿荷載位移比較曲線Fig.7 Comparison of load － displacement curve

3.2 結(jié)果對比分析

圖6給出了試件加載遠(yuǎn)端部荷載位移曲線試驗實測值和有限元結(jié)果的比較，圖8給出了部分測點應(yīng)變強(qiáng)度實測值和有限元結(jié)果的比較;從中可以看出，有限元結(jié)果和試驗結(jié)果吻合較好，可以利用該模型進(jìn)一步了解腹桿對節(jié)點承載力的影響。

圖8 試件部分測點應(yīng)變強(qiáng)度實測值與有限元值比較Fig.8 Comparison of strain for specimen

3.3 腹桿對節(jié)點承載力的影響

圖9給出的是其他參數(shù)不變的情況下，不同腹桿厚度(t=12，14，16，18，20)狀態(tài)下節(jié)點的荷載位移曲線。如圖所示，隨著腹桿厚度的增加，節(jié)點彈性階段的剛度略有增大，屈服強(qiáng)度明顯提高。但計算表明，當(dāng)荷載達(dá)到5500 kN后，即使腹桿厚度繼續(xù)增大，弦桿仍出現(xiàn)明顯變形，核心區(qū)和加載端的內(nèi)置鋼筋屈服，連接板也大面積進(jìn)入塑形，因此可認(rèn)為此時節(jié)點的承載力不再由腹桿厚度控制。

圖9 不同腹桿厚度狀態(tài)下節(jié)點的荷載位移曲線Fig.9 Load － displacement curves in different thickness of braces

4 結(jié)論

(1) 采用的節(jié)點試驗?zāi)Ｐ秃驮囼灱虞d方法模擬了節(jié)點原型的幾何和受力狀況，試驗結(jié)果能夠較好地反映實際結(jié)構(gòu)的節(jié)點性能。

(2) 節(jié)點的薄弱環(huán)節(jié)和破壞模式主要有弦桿混凝土的開裂破壞、受壓腹桿屈曲破壞、受拉腹桿較大范圍塑性破壞和節(jié)點核心區(qū)內(nèi)置鋼筋屈服。

(3) 腹桿寬厚比對節(jié)點受力性能有較大影響，適當(dāng)增加腹桿厚度有助于完善整個節(jié)點的性能和進(jìn)一步提高節(jié)點極限承載力。

［1］蔣永生，梁書亭，王恒華，等.新型鋼－砼組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件的研究與應(yīng)用［J］.東南大學(xué)學(xué)報，2003，33(5):534－542.JIANG Yong-sheng，LIANG Shu-ting，WANG Heng-hua，et al.Research and application on new steal－ concrete composite structural members［J］.Journal of Southeast University，2003，33(5):534 －542.

［2］孫飛飛，李國強(qiáng)，胡凌華.梁柱組合節(jié)點的試驗研究新進(jìn)展［J］.建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2004，6(2):37－42.SUN Fei-fei，LI Guo-qiang，HU Ling-hua.New development in experimental research on beam－to－column composite joints［J］.Progress in Steel Building Struc-tures，2004，6(2):37 －42.

［3］胡夏閩，李 選，董 碩.正彎矩作用下端板連接鋼－混凝土組合節(jié)點的試驗研究［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，29(2):397 －401.HU Xia-min，LI Xuan，DONG Shuo.Experimental study on flush end－plate composite joints under positive moment［J］.Journal of Harbin Institute of Technology，2007，29(2):397 －401.

［4］陳以一，李萬祺，趙憲忠，等.國家體育場焊接方管桁架單K節(jié)點試驗研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2007，28(2):54－58.CHEN Yi-yi，LI Wang-qi，ZHAO Xian-zhong，et al.Experimental research on single k－joint in roof truss with welded box section members used in the national stadium［J］.Journal of Building Structures ，2007，28(2):54 －58.

［5］童樂為，王新毅，陳以一，等.國家體育場焊接方管桁架雙弦桿KK型節(jié)點試驗研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2007，28(2):49 －53.TONG Le-wei，WANG Xin-yi，CHENG Yi-yi，et al.Experimental study on KK－joint between two welded square hollow section trusses in the National Stadium［J］.Journal of Building Structures ，2007，28(2):49 －53.

［6］童樂為，朱 俊，陳以一，等.國家體育場桁架內(nèi)柱多腹桿焊接節(jié)點性能研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2007，28(2):66－72.TONG Le-wei，ZHU Jun，CHEN Yi-yi，et al.Behavior of welded joint of trussed columns with multiple web members in the National Stadium［J］.Journal of Building Structures，2007，28(2):66 －72.

［7］趙憲忠，閆 澍，陳龍中，等.國家體育場桁架外住節(jié)點試驗研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2007，28(2):81 －86.ZHAO Xian-zhong，YAN Shu，CHEN Long-zhong，et al.Experimental study on connections of outer trussed columns for the national stadium［J］.Journal of Building Structures ，2007，28(2):81 －86.

［8］舒興平，朱紹寧，朱正榮.K型圓鋼管搭接節(jié)點極限承載力研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2004，25(5):71 －77.SHU Zheng-ping，ZHU Shao-ning，ZHU Zheng-rong.The study of ultimate bearing capacity of overlapped CHS K－joints［J］.Journal of Building Structures，2004，25(5):71－77.

［9］張詠梅，曾曉文.鋼混凝土組合節(jié)點的有限元應(yīng)力分析［J］.長江科學(xué)院院報，2009，26(7):66 －68.ZHANG Yong-mei，ZENG Xiao-weng. Finite element stress analysis on joint of steel—concrete［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2009，26(7):66－68.

［10］潘建榮，王 湛，張 吉.框架組合梁柱節(jié)點的非線性有限元分析［J］.西安建筑科技大學(xué)學(xué)報，2009，41(5):655－661.PAN Jian-rong，WANG Zhan，ZHANG Ji.Nonlinear finite element analysis of frame composite joints［J］.Journal of Xi＇an University of Architecture ＆ Technology，2009，41(5):655 －661.