空間網(wǎng)架結構鋼管混凝土柱節(jié)點力學性能足尺試驗及分析

李明方　蔡元奇　盧云祥　婁澤方

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

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

中圖分類號：TU375.3文獻標志碼：A文章編號：16744764（2013）06007309

近年來一些學者對鋼管混凝土柱節(jié)點的抗震性能進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)點的抗震性能并發(fā)展了節(jié)點抗震性能計算的非線性有限元方法，如：Nishiyama等[1]對10個鋼管混凝土柱鋼梁節(jié)點進行了試驗研究，分析了高強度材料對柱節(jié)點抗震性能的影響。Zhang等[2]分析了4個加腋型鋼管混凝土柱鋼梁節(jié)點的抗震性能，重點研究了加腋板區(qū)域的剪切失效行為，結果顯示失效模式對應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)點的抗震性能。堯國皇等[4]提出了一種鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁的新型節(jié)點形式，節(jié)點符合“強柱、弱梁、節(jié)點更強”的抗震設計原則。Cheng等[5]研究了4個帶鋼筋混凝土板的鋼管混凝土柱鋼梁節(jié)點的抗震性能，未觀察到節(jié)點連接板區(qū)域的破壞。Han等[6]通過試驗研究了帶鋼筋混凝土板的鋼管混凝土柱鋼梁節(jié)點的抗震性能，6個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節(jié)點抗震性能的影響，結果發(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[8]對穿透式鋼管混凝土柱節(jié)點進行了研究，分別得到了節(jié)點的延性、耗能能力和轉動剛度等參數(shù)，并建立了節(jié)點連接處抗彎承載力計算公式和受剪承載力公式?；綮o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)點荷載位移全過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個平移自由度，來模擬靜力和動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)點特定參數(shù)對抗震性能的影響。這些研究成果極大的促進了鋼管混凝土柱節(jié)點在工程中的應用。

本文介紹了一種新型鋼管混凝土柱空間網(wǎng)架節(jié)點，采用足尺試驗與數(shù)值仿真相結合的方法研究了這種復雜節(jié)點的受力特性及抗震性能。首先詳細介紹了節(jié)點足尺試驗的試驗方案及結果，隨后采用有限元ABAQUS對節(jié)點的受力性能及耗能性能進行數(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。將有限元結果與試驗結果進行比較，吻合較好。有限元結果給出了節(jié)點的破壞模式、極限承載力及滯回耗能能力，并給出了節(jié)點在各種狀態(tài)下的應力分布云圖。

1試驗背景

某國際博覽中心大跨度屋蓋結構復雜，主展館屋蓋主要采用空間網(wǎng)架結構，網(wǎng)架結構通過鋼管混凝土柱節(jié)點與鋼管混凝土柱連接。鋼管混凝土柱節(jié)點與網(wǎng)架結構的連接如圖1所示，節(jié)點位于柱的頂端，節(jié)點底部標高19.335 m，網(wǎng)架結構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，該節(jié)點實體龐大，受力復雜。柱節(jié)點與鋼管混凝土柱焊接為整體，內部混凝土同時澆注。柱節(jié)點鋼管柱的直徑為1.4 m，各支管通過耳板及肋板與鋼管柱連接，并深入鋼管柱內部相交，其設計構造如圖2所示。由于該鋼管混凝土柱節(jié)點位于結構的重要位置，且在不同工況條件下柱節(jié)點應力變化幅度大，其承載能力直接影響到整個結構的安全性，因此需要對該柱節(jié)點進行受力性能和抗震性能研究。

2足尺試驗

2.1加載系統(tǒng)及試驗模型設計

鋼節(jié)點試驗中的關鍵環(huán)節(jié)是設計出安全可靠的加載系統(tǒng)，其中包括反力裝置、加載設備、加載控制系統(tǒng)和加載方案等。本次試驗的反力裝置主要利用武漢大學結構試驗大廳三面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，綜合利用L型反力墻和大型承力架，可以實現(xiàn)多桿件任意角度同時加載。試驗加載設備主要為液壓加載設備，有手動液壓加載器、電動液壓加載器和液壓伺服操作平臺，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)點試件采用1∶1足尺試件，試件制作標準與實際工程中的節(jié)點相同。試驗中為了減小加載裝置對試驗節(jié)點應力分布的影響，各支管均取一定的外伸尺寸，外伸尺寸結合反力墻、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)點在加載過程中不會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應變及位移測點布置

應變片測點共分四類，總計209個測點，如圖3和圖4所示。第一類測點監(jiān)測各支管的軸力，采用單向應變片，測點編號S1～S32。第二類測點監(jiān)測柱節(jié)點鋼管壁上的應力，采用應變花，測點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）亦布置測點，測點編號T1～T32和T37～T55。第三類測點監(jiān)測各支管耳板上的應力，采用應變花，測點編號T33～T36。第四類測點監(jiān)測柱節(jié)點內部連接板應力，編號SB1～SB6和TB1～TB2，澆注混凝土后，第四類測點被混凝土包圍。

柱節(jié)點試件和千斤頂均由螺栓固定在反力墻上，試驗過程中試件和千斤頂可能會滑動，產(chǎn)生剛體位移，導致加載偏心等問題。為此在柱節(jié)點試件的底部、中部和頂部布置位移測點進行監(jiān)測，底部測點采用電子位移計，測點編號W1～W2，中部和頂部采用全站儀，測點編號Q1～Q2，位移測點布置如圖4所示。加載偏心可能使受壓桿件失穩(wěn)，不能達到試驗目的，4#支管受壓荷載較大，桿件最長，因此在4#支管中部布置兩個位移測點監(jiān)控壓桿的加載狀況，采用電子位移計，測點編號W3～W4。

為了保證加載的準確性，試件安裝時應特別注意偏心問題。首先用激光測距儀進行初步對中，然后預加載20%，以消除安裝間隙，同時調試測試系統(tǒng)和應變片工作狀態(tài)。預加載時密切觀測桿件上單向應變計的應變，逐步調整加力點位置，直到各支桿中部截面各應變一致為止。預加載完成后，對測試系統(tǒng)調零開始試驗；共分19級同步加載，其中第14級為設計荷載。每級加載完成后停留10 min，再采集數(shù)據(jù)。加載到最大試驗荷載并完成數(shù)據(jù)采集后，進行分級卸載，完全卸載后采集各測點殘余應變。

3試驗數(shù)據(jù)分析

3.1荷載校核

試驗過程中為了確保每個支管上施加的荷載達到設計要求，在各支管中部布置4個相差90°、沿桿軸向的單向應變片來監(jiān)測支管上實際軸力。軸力計算采用線彈性理論，應變取4個應變片的平均值，這樣可以有效消除彎矩的影響。軸力的監(jiān)測結果如圖6所示。從圖6可見，各支管在試驗中測得的軸力與設計值基本吻合，說明試驗達到了設計要求，其結果可靠。

位移測點監(jiān)控的位移數(shù)據(jù)如圖7所示。由圖7可見，柱節(jié)點底部的測點位移值很小，最大約1.5 mm，可以判定試驗過程中試件沒有產(chǎn)生剛體位移。其他各測點位移變化平穩(wěn)，無跳躍，最大位移不超過15 mm，沒有出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，試驗滿足相關規(guī)范要求[14]，加載過程可靠。由柱節(jié)點的位移監(jiān)測數(shù)據(jù)可見，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)點受力復雜，采用足尺試驗與數(shù)值仿真相結合的方法可以更全面的把握節(jié)點的受力狀態(tài)。足尺試驗受到實驗室加載條件的限制，反復荷載加載裝置更受到加載噸位的限制，同時足尺試驗時鋼管內部混凝土的應力狀態(tài)不易監(jiān)測，而數(shù)值仿真加載不受限制，并且可以比較準確地模擬試驗過程中混凝土的應力狀態(tài)，包括混凝土的開裂、軟化等，更全面的反映節(jié)點的受力性能。本文采用有限元軟件ABAQUS對柱節(jié)點試件進行加載過程分析，首先進行試驗荷載下靜力有限元分析，將有限元結果與試驗結果對比，驗證了有限元方法的正確性，隨后繼續(xù)加載，得到了柱節(jié)點的極限承載力，最后分析了柱節(jié)點在低周反復荷載作用下的力學性能。

數(shù)值計算模型中鋼管、耳板、加勁肋及內部連接板采用殼單元，混凝土采用實體單元。模型忽略鋼管、連接板與混凝土之間的滑移，認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)場澆注了C40自密實混凝土，數(shù)值仿真中混凝土的本構關系采用了混凝土損傷塑性模型[1920]?；炷恋膽?應變曲線及損傷因子采用混凝土結構設計規(guī)范中的公式計算[21]。鋼管部分根據(jù)現(xiàn)場材質實驗，本構關系采用平頂三折線模型。鋼材屈服強度345 MPa，拉伸強度500 MPa。反向加載時，采用隨動硬化模型，即考慮包辛格效應。

數(shù)值仿真分3種加載方案。方案一對柱節(jié)點進行簡單加載，即保持各支管荷載的比例，逐步增加到試驗荷載，將結果與試驗結果對比，驗證有限元方法的正確性。方案二在方案一的基礎上繼續(xù)加載，直至計算不收斂，以期得到柱節(jié)點的極限承載力。方案三對柱節(jié)點施加低周反復荷載，考查柱節(jié)點在循環(huán)荷載作用下的力學性能，加載制度如圖12所示。

5結論

通過對空間網(wǎng)架結構鋼管混凝土柱節(jié)點承載力試驗和有限元分析，可得以下結論：

1）在1.6倍設計荷載作用下，鋼管混凝土柱節(jié)點基本處于彈性狀態(tài)，鋼管內混凝土局部區(qū)域進入塑性狀態(tài)。卸載后節(jié)點完好，剝開外部鋼管，內部的混凝土未見破壞，鋼管內混凝土工作正常。節(jié)點滿足設計要求，有足夠的安全儲備。

2）柱節(jié)點破壞模式為單根支管（6#支管）首先形成塑性鉸而使柱節(jié)點達到承載力極限狀態(tài)，柱節(jié)點極限承載力約為2.74倍設計荷載，安全儲備較高。

3）節(jié)點的滯回耗能曲線較為飽滿，反復荷載作用下節(jié)點的耗能能力較強，節(jié)點設計合理。

4）數(shù)值仿真的計算條件較為理想，計算結果與試驗結果有一定差異，進行足尺試驗十分必要。數(shù)值仿真是足尺試驗的有力補充，數(shù)值計算給出了柱節(jié)點的極限承載力及節(jié)點在低周反復荷載作用下滯回耗能曲線。足尺試驗與數(shù)值仿真互為補充，相互印證，將二者相結合可以全面了解此類柱節(jié)點的受力特性及抗震性能。

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（編輯呂建斌）