大跨度樓面桁架銷軸節(jié)點(diǎn)承載性能試驗(yàn)研究

丁大益　王元清　潘斌　石永久　劉威　周均東

摘要：以山東鄒城國際會展中心實(shí)際工程為研究背景，結(jié)構(gòu)為多層框架，柱采用圓鋼管或矩形鋼管，梁采用鋼桁架或H型鋼.大跨度部分二層樓面鋼桁架上下弦桿及腹桿均采用H型鋼，與圓鋼管柱采用銷軸節(jié)點(diǎn)連接，為較理想的鉸接.因樓面荷載大，現(xiàn)行規(guī)范沒有銷軸節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法，有必要進(jìn)行試驗(yàn)研究.通過4組試驗(yàn)及有限元分析，表明銷軸節(jié)點(diǎn)具有良好的傳力性能和轉(zhuǎn)動能力，承載性能滿足設(shè)計(jì)要求，其設(shè)計(jì)方法可供類似工程參考.

關(guān)鍵詞：銷軸節(jié)點(diǎn)；試驗(yàn)研究；破壞機(jī)理；承載性能

中圖分類號：TU391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract：This paper took the project of Shandong Zoucheng International Convention Centre， a multistory frame structure， as the research background. In this project， circular steel tubes and rectangular steel tubes were chosen for sections of columns， and steel truss and Hsection steel were used for sections of beams. For instance， at the second floor， sections of the upper and underside chord members of largespan steel truss were made from Hsection steel and were connected to circular steel tubes with pin joint. It could be treated as a relatively ideal hinge connection.There is heavy load on floor， and the current structural code does not include the design method of pin joint， therefore， it is necessary to conduct experimental analysis. Through four groups of experiments and finite element analysis， the result has indicated that the pin joint is equipped with good force transmission ability and rotation capacity， and it satisfies the design requirement of bearing capacity. The design method of pin joint in this paper can be used as a reference for similar projects.

Key words：pinned joints； experimental analysis； failure mechanism； bearing strength

銷軸連接最早應(yīng)用于起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)中兩個(gè)構(gòu)件間的連接，以滿足構(gòu)件之間相對運(yùn)動的需要和現(xiàn)場安裝.例如門座起重機(jī)組合臂架各構(gòu)件之間的連接，岸邊集裝箱裝卸橋的拉桿、小門架、橋架、門框結(jié)構(gòu)和斜撐桿等各構(gòu)件之間的連接都廣泛采用銷軸連接.

近年來，銷軸節(jié)點(diǎn)在現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)工程中得到了越來越多的推廣和應(yīng)用[1].這種節(jié)點(diǎn)形式具有受力明確的特點(diǎn)，同時(shí)在建筑中又比較美觀，因此在當(dāng)代鋼結(jié)構(gòu)體系的公共建筑中經(jīng)常采用.為了體現(xiàn)建筑的結(jié)構(gòu)受力美，其受拉或受壓桿件的鉸接節(jié)點(diǎn)連接經(jīng)常采用銷軸連接，尤其是在柱腳和支撐當(dāng)中應(yīng)用較多.浦東國際機(jī)場T2航站樓Y形柱頂與鋼屋架梁的連接要求柱頂在沿屋架跨度方向和垂直于跨度方向都有一定的轉(zhuǎn)動能力，并能夠有效傳遞軸力和剪力，是一種理想的萬向鉸接節(jié)點(diǎn)[2-3].佛山嶺南明珠體育館穹頂鋼結(jié)構(gòu)由廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)，該結(jié)構(gòu)水平環(huán)桁架與立柱的連接采用銷軸節(jié)點(diǎn)[4].并且國內(nèi)已有學(xué)者[5-6]對銷軸節(jié)點(diǎn)的受力性能進(jìn)行過試驗(yàn)研究，國外學(xué)者[7-9]也對銷軸節(jié)點(diǎn)的承載性能進(jìn)行過理論研究.但是我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50017-2003）還沒有涉及該類連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)公式，設(shè)計(jì)人員通常是借鑒其他的行業(yè)規(guī)范或者國外的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，常造成設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)存在一定的浪費(fèi)或不安全因素，因此對鋼結(jié)構(gòu)建筑中銷軸節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究有較重要的意義.

本文以山東鄒城國際會展中心鋼結(jié)構(gòu)科研課題為背景，根據(jù)設(shè)計(jì)要求和有限元分析結(jié)果，對工程中采用的樓面桁架銷軸節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了4組試驗(yàn)，通過觀察節(jié)點(diǎn)區(qū)域的荷載變形發(fā)展規(guī)律，找出節(jié)點(diǎn)的薄弱部位和節(jié)點(diǎn)破壞形式，以考察銷軸節(jié)點(diǎn)的承載性能和轉(zhuǎn)動性能，并提出節(jié)點(diǎn)構(gòu)造改進(jìn)措施.

1試驗(yàn)背景

山東鄒城國際會展中心項(xiàng)目（圖1）總占地面積156畝，投資1.5億元，建筑面積5.3 萬m2，地上2層，整體建筑采用現(xiàn)代主流派風(fēng)格，簡約大氣、唯美實(shí)用，功能齊全，布局合理，預(yù)計(jì)2015年6月份建成投入使用，將成為又一新的地標(biāo)性建筑和對外合作交流的重要窗口.國際會展中心建筑高度為39 m，平面尺寸264 m×78 m，由主體鋼結(jié)構(gòu)工程和玻璃幕墻兩部分組成.主體鋼結(jié)構(gòu)基本為框架結(jié)構(gòu)，樓面連接采用鋼柱與鋼桁架間的銷軸節(jié)點(diǎn)，銷軸材料為40Cr，其余板件鋼材型號為Q345B.鋼桁架上下弦桿均采用H型鋼截面，構(gòu)件通過特定構(gòu)造形式的節(jié)點(diǎn)域與銷軸節(jié)點(diǎn)的耳板過渡連接，截面尺寸根據(jù)節(jié)點(diǎn)所在位置受力不同而存在差異，由于其節(jié)點(diǎn)域構(gòu)造復(fù)雜、焊縫交錯(cuò)，節(jié)點(diǎn)受力性能很不明確，無法用常規(guī)方法確定其承載力.

2試驗(yàn)方案

2.1試件設(shè)計(jì)

根據(jù)會展中心主體鋼結(jié)構(gòu)整體分析計(jì)算結(jié)果，截取桁架與鋼柱連接的銷軸節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)研究.根據(jù)節(jié)點(diǎn)在最不利荷載組合下的軸力設(shè)計(jì)值，上弦軸力N=1 575 kN，下弦軸力N=1 015 kN，腹桿軸力N=1 000 kN，在盡可能模擬銷軸節(jié)點(diǎn)在桁架中實(shí)際受力狀態(tài)的前提下，結(jié)合清華大學(xué)土木工程安全與耐久教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)條件，對銷軸節(jié)點(diǎn)進(jìn)行1∶2縮尺模型試驗(yàn).縮尺模型以控制節(jié)點(diǎn)區(qū)域上下弦桿和腹桿軸力比值與實(shí)際結(jié)構(gòu)相同為基準(zhǔn)，模擬銷軸節(jié)點(diǎn)的受力性能.

根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力狀況，設(shè)計(jì)了4個(gè)節(jié)點(diǎn)模型試件，試件1（圖3）研究銷軸節(jié)點(diǎn)的受拉性能；試件2（圖4）研究銷軸節(jié)點(diǎn)的受壓性能；試件3與試件4相同，如圖5所示，試件3研究桁架節(jié)點(diǎn)域的靜力加載性能，試件4研究桁架節(jié)點(diǎn)域的循環(huán)加載性能.

試件3、試件4構(gòu)件截面尺寸見表1.

2.2加載裝置

試驗(yàn)利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的加載反力架，應(yīng)變、位移采集系統(tǒng)和液壓千斤頂進(jìn)行試件加載.

2.2.1試件1加載裝置

試件1加載示意圖如圖6所示.剛性底座采用地腳錨栓和絲杠壓緊，避免翹起和側(cè)移.通過連梁將兩個(gè)底座連接起來，形成一個(gè)自平衡體系，抵抗液壓千斤頂產(chǎn)生的拉力.同時(shí)設(shè)計(jì)加工了兩個(gè)能夠承受5 000 kN拉壓力的三角反力架，其中一個(gè)與2.4 m底座頂板焊接固定，另外一個(gè)與4 m底座通過螺栓連接.為防止液壓千斤頂缸體受彎，設(shè)計(jì)加工了一個(gè)能夠承受5 000 kN拉壓力的鉸支座以保證千斤頂始終承受軸力.

2.2.2試件2加載裝置

試驗(yàn)前通過有限元分析軟件對試件2的承載性能進(jìn)行預(yù)估，預(yù)計(jì)將在荷載達(dá)到6 500 kN時(shí)發(fā)生破壞，因而試件1加載所用的5 000 kN千斤頂無法滿足加載要求，故采用了20 000 kN重型結(jié)構(gòu)多功能空間加載裝置（圖7）進(jìn)行結(jié)構(gòu)加載.試件2一端與底座進(jìn)行錨栓固定，另一端通過壓力千斤頂進(jìn)行加載，加載裝置可自行提供約束反力.

2.2.3試件3，試件4加載裝置

試件3和試件4幾何構(gòu)造完全相同，試件3試驗(yàn)考察節(jié)點(diǎn)的靜力承載性能，試件4試驗(yàn)考察節(jié)點(diǎn)的循環(huán)加載性能.因而這兩個(gè)試驗(yàn)采用了基本相同的加載裝置，考慮到在進(jìn)行循環(huán)加載過程中，試件有可能發(fā)生側(cè)向失穩(wěn)從而導(dǎo)致無法完成繼續(xù)加載，所以試件4試驗(yàn)在試件3試驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上增加了側(cè)向支撐以保證試件不會發(fā)生側(cè)向失穩(wěn)，如圖8所示.

2.3加載制度

前3個(gè)試件采用單調(diào)加載，試件4采用循環(huán)加載.

2.3.1單調(diào)加載制度

單調(diào)加載采用荷載控制方法，分3階段加載：第1階段，初始荷載為10%正常使用荷載，逐級遞增，每級荷載為10%正常使用荷載，直至100%正常使用荷載；第2階段，初始荷載為正常使用荷載，逐級遞增，每級荷載為10%正常使用荷載，直至達(dá)到設(shè)計(jì)極限荷載；第3階段，初始荷載為設(shè)計(jì)極限荷載，逐級遞增，每級荷載為10%正常使用荷載，直至節(jié)點(diǎn)破壞.

2.3.2 循環(huán)加載制度

根據(jù)《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》JGJ 101-96[10]的推薦，試件擬靜力實(shí)驗(yàn)的加載程序應(yīng)采用荷載變形雙控制的方法：即屈服前采用荷載控制，屈服后位移控制.但是由于本試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)較為特殊，銷軸節(jié)點(diǎn)處本身就存在空隙，循環(huán)加載過程中每次經(jīng)過中位都會有一段空程，這樣對千斤頂位移加載的控制造成了很大的困難，因而本試驗(yàn)加載全程都采用荷載控制，循環(huán)加載制度如圖9所示.

2.4測量內(nèi)容及方法

試驗(yàn)的量測內(nèi)容包括試件的實(shí)際尺寸、鋼材材性、關(guān)鍵部位應(yīng)變、試件的變形和極限承載力等.在需要關(guān)注的部位布置位移計(jì)，量測試件在加載過程中的變形.對于試件1和試件2，只需在加載兩端面4個(gè)角部布置位移計(jì)量測試件的軸向變形；而試件3和試件4的位移計(jì)布置較復(fù)雜，如圖10（a）所示.為了監(jiān)測上下弦及腹桿的應(yīng)力發(fā)展情況，在桿件截面上布置了應(yīng)變片.工字形截面試件跨中和端部截面應(yīng)變片的布置如圖10（b）所示，跨中截面在翼緣邊部的兩側(cè)和腹板中部的兩側(cè)分別布置應(yīng)變片，端部截面在翼緣邊部的外側(cè)布置應(yīng)變片.

3試驗(yàn)現(xiàn)象和試驗(yàn)結(jié)果

3.1材性試驗(yàn)結(jié)果

銷軸節(jié)點(diǎn)共采用了3種不同厚度的Q345B鋼板，分別是10 mm，16 mm和20 mm.此外，銷軸采用了40Cr鋼材.因此共進(jìn)行了4批材性試驗(yàn).

在銷軸節(jié)點(diǎn)的加工過程中預(yù)留邊角料，通過機(jī)械加工成標(biāo)準(zhǔn)材性試件，每批材性試驗(yàn)都有3個(gè)試件，總共12個(gè)試件.試件尺寸參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228-2002[11]，如圖11所示.Q345B鋼材材性試件加工成板材，40Cr材性試件加工成棒材.

在彈性階段，應(yīng)變片的測量結(jié)果是可靠的，而當(dāng)材料進(jìn)入屈服以后，應(yīng)變片將失效，此時(shí)引伸計(jì)的測量結(jié)果是可靠的，最后將二者的測量結(jié)果綜合起來，可以測得鋼材的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€.在試件的中部同時(shí)布置橫向和縱向的應(yīng)變片，通過二者的比例關(guān)系可以計(jì)算得到材料的泊松比.根據(jù)試驗(yàn)機(jī)拉力與試件截面積計(jì)算得到截面應(yīng)力，由應(yīng)變片與引伸計(jì)測得應(yīng)變，應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖12所示.

3.2試件1和試件2

試件1和試件2分別考查銷軸節(jié)點(diǎn)的拉壓性能，加載過程的荷載變形曲線如圖13所示.可以看到，兩個(gè)試件加載至荷載設(shè)計(jì)值Fd時(shí)，荷載位移曲線都表現(xiàn)為直線上升，節(jié)點(diǎn)仍處于彈性階段，銷軸孔壁幾乎沒有變形.荷載繼續(xù)增加，曲線開始出現(xiàn)彎折，說明節(jié)點(diǎn)開始進(jìn)入塑性階段，銷軸孔逐漸變成橢圓形.兩個(gè)試件破壞都是由于節(jié)點(diǎn)域焊縫斷裂引起的，停止加載并觀測到銷軸已發(fā)生明顯變形（圖14）.試件1荷載設(shè)計(jì)值為1 400 kN，試件2荷載設(shè)計(jì)值為2 000 kN.試件1和試件2的屈服荷載分別為1.6Fd和1.96Fd，破壞荷載分別為2.42Fd和3.22Fd，說明銷軸節(jié)點(diǎn)具有較大安全儲備.

3.3試件3

試件3考查銷軸節(jié)點(diǎn)和樓面桁架的組合靜力承載性能.圖7中加載點(diǎn)處的荷載變形曲線如圖15所示，可知試件3承載性能滿足設(shè)計(jì)要求.試件3荷載設(shè)計(jì)值為985 kN，屈服荷載為設(shè)計(jì)值的1.27倍，極限荷載為設(shè)計(jì)值的2.34倍.荷載位移曲線在加載初期能夠明顯看到剛度逐漸上升段，當(dāng)荷載增至一定量時(shí)才趨于穩(wěn)定.這是因?yàn)殍旒芏瞬夸N軸節(jié)點(diǎn)存在間隙，銷軸與孔壁之間有2 mm的余量（便于安裝），隨著荷載逐漸增加，銷軸與孔壁接觸量逐漸增加使得剛度逐漸增大.試驗(yàn)加載過程試件側(cè)向變形量很小且線性增長，無側(cè)向失穩(wěn)的問題.

試件最后破壞發(fā)生在腹桿與上弦連接焊縫處（圖16），試驗(yàn)結(jié)束后發(fā)現(xiàn)銷軸變形已相當(dāng)大.觀察破壞位置附近截面的應(yīng)變發(fā)展，如圖17所示.可見腹桿翼緣4個(gè)角點(diǎn)上的應(yīng)變發(fā)展很不均勻，桿件在加載過程中并不完全承受軸力，還受到彎矩作用.

3.4試件4

試件4考查銷軸節(jié)點(diǎn)和樓面桁架的組合循環(huán)加載性能.由試件上布置測點(diǎn)記錄的位移和應(yīng)變數(shù)據(jù)分析加載中節(jié)點(diǎn)的承載性能.加載點(diǎn)位置的荷載變形曲線如圖18所示.

4結(jié)論

對于大型復(fù)雜公共建筑，由于其結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，設(shè)計(jì)中會遇到多種難以解決的問題，需要通過專門針對于節(jié)點(diǎn)等的科研分析，從而對設(shè)計(jì)提出建議.本文以鄒城國際會展中心鋼結(jié)構(gòu)科研課題為背景，對工程中采用的樓面桁架銷軸節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了4組試驗(yàn)，通過觀察節(jié)點(diǎn)區(qū)域的荷載變形發(fā)展規(guī)律，得到以下結(jié)論：

1）銷軸節(jié)點(diǎn)在加載過程中可以實(shí)現(xiàn)自由轉(zhuǎn)動，能夠滿足設(shè)計(jì)要求.銷軸連接比通常采用的高強(qiáng)度螺栓或焊接連接簡單，易于施工安裝，并較顯著地節(jié)約成本.

2）銷軸節(jié)點(diǎn)在拉壓設(shè)計(jì)荷載工況下，除銷軸與孔壁接觸處的應(yīng)力集中較大外，大部分區(qū)域應(yīng)力值均小于材料的屈服強(qiáng)度，材料仍處于彈性狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)安全儲備較大.最后試件破壞均發(fā)生在節(jié)點(diǎn)域加勁肋焊縫處，銷軸也已產(chǎn)生較大變形.

3）銷軸節(jié)點(diǎn)和樓面桁架的組合受力性能能夠滿足設(shè)計(jì)要求.靜力加載情況下，設(shè)計(jì)荷載時(shí)節(jié)點(diǎn)仍然處于彈性工作階段，具備繼續(xù)承載的能力，極限承載力為設(shè)計(jì)值的2.34倍；循環(huán)加載情況下，節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出了較好的延性和耗能能力.節(jié)點(diǎn)破壞均是由于焊縫斷裂引起的.

4）根據(jù)試驗(yàn)中試件破壞形式，建議在銷軸節(jié)點(diǎn)施工過程中加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)區(qū)的焊縫檢測，并且銷軸可考慮雙側(cè)固定.

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