某項目中鋼管結(jié)構(gòu)改進剛性連接的試驗研究★

方 成 黃 超 章 華 邢 麗

(1.浙江省工業(yè)設(shè)計研究院，浙江 杭州 311200； 2.浙江大學(xué)城市學(xué)院，浙江 杭州 310015)

1 工程概況

某項目由六個獨立拱及一個三拱相貫結(jié)構(gòu)組成的空間雙曲鋼桁架結(jié)構(gòu)。中央三拱的四管主拱梁采用的是四根圓管，跨度均為50 m以上，施工精度要求控制在2 mm，施工現(xiàn)場不允許進行焊接、切割，所有構(gòu)件必須在工廠內(nèi)制作完成，做好防腐處理后到現(xiàn)場組裝，同時該建筑對外觀要求高，因加工、運輸?shù)仍颍摴苄枰诂F(xiàn)場進行接長，為此項目面臨傳統(tǒng)連接做法建筑外觀無法滿足要求的問題,見圖1。

鋼管對接連接的形式主要有法蘭連接和現(xiàn)場焊接兩種，法蘭連接中突出的法蘭盤影響建筑美觀[3-5]，在焊接連接中，仰焊、高空拼裝的鋼管焊接質(zhì)量不容易保證。為了滿足該項目建筑外觀的要求，提出一種改進的鋼管剛性對接連接方式，如圖2所示，焊接工作在工廠完成，焊接工作主要有：十字形連接板(圖2中所示部分2)和鋼管(圖2中所示部分3)之間的焊接，在工廠焊接可以保證定位準，焊縫質(zhì)量高。此外在工廠要把連接板和墊板開好螺栓孔。在施工現(xiàn)場不進行焊接，僅進行高強螺栓的安裝和在連接件外通過結(jié)構(gòu)膠包裹不傳力的鋼管，使剛性連接節(jié)點置于鋼管內(nèi)部。保證連接節(jié)點外觀。為了解該連接的受力性能，本文對5個試件進行軸心受壓試驗和軸心受拉試驗。

2 試件設(shè)計

表1 試件尺寸

共設(shè)計5個試件的試驗，試件組成及尺寸詳見表1及圖3(以開槽長度70 mm為例)，試件管徑為159 mm×6 mm。試件中十字插板連接板截面、墊板截面、高強螺栓連接部分的設(shè)計強度均大于鋼管截面的極限承載力，考察鋼管開槽長度對承載力的影響。

3 試驗裝置

試驗加載設(shè)備為500 t長柱試驗機，為了解在加載過程中試件整體位移的變化，布置位移監(jiān)測設(shè)備LVDT電子位移計9個，具體布置詳見圖4試驗全景，在開槽前端和末端布置14個三向應(yīng)變片，來監(jiān)測軸力作用下試件應(yīng)力變化及分布規(guī)律，如圖5所示。

4 試驗過程分析

試件從加載到破壞經(jīng)歷三個階段：彈性、彈塑性和破壞階段。加載制度為：彈性階段加載速度為10 kN/s的荷載遞增加載，試驗機監(jiān)測軟件中荷載位移曲線進入平直段時加載速度減至5 kN/s，極限荷載后荷載遞增加載已無法進行試驗，此時改用位移加載，加載速度為1 mm/min，承載力下降10%以上后停止加載。以下為試件破壞過程及形態(tài)，試件破壞區(qū)域劃分如圖6所示，破壞形態(tài)見圖7。

LJ-1：試驗機監(jiān)測軟件試驗加載數(shù)值達到600 kN時，側(cè)向的LVDT數(shù)值增加明顯，首先試件下半部分B區(qū)局部略微凹陷，周圍鋼管凹陷不明顯，荷載達到791.9 kN不再增加，豎向和側(cè)向位移計數(shù)值突變，說明極限承載力為791.9 kN，鋼管槽末端(B區(qū))幾乎都發(fā)生了不同程度上的內(nèi)凹，最終破壞發(fā)生在開槽末端鋼管的強度破壞，同時試件在整體上呈現(xiàn)彎曲。

LJ-2：試驗機監(jiān)測軟件試驗加載數(shù)值達到745 kN之前，位移計數(shù)值變化均勻，位移數(shù)值增長較慢，在加載到745 kN之后，位移增加變快，鋼管槽的末端(B區(qū))局部出現(xiàn)屈曲，并不斷發(fā)展，835 kN時，下側(cè)鋼管槽末端(B區(qū))屈曲，試件向一側(cè)彎曲，862 kN時，荷載不再增加，位移數(shù)值變化更明顯，繼續(xù)加載，長柱試驗機出現(xiàn)卸載，鋼管開槽末端變形嚴重，試件整體彎曲，試件LJ-2的屈服承載力和極限承載力大于試件LJ-1。

LJ-3：試驗機監(jiān)測軟件試驗加載至600 kN時，試件上、下兩部分的鋼管B區(qū)、E區(qū)均出現(xiàn)變形，740 kN時，發(fā)出清脆的響聲，鋼管開槽邊(A區(qū))鋼管發(fā)生剪切破壞，繼續(xù)加載，荷載不再增加，位移增加，因鋼管局部槽邊(A區(qū))發(fā)生破壞引起十字形連接板受力不均，導(dǎo)致十字形插板彎曲。

LJ-4：試驗機監(jiān)測軟件試驗加載至800 kN時，E區(qū)出現(xiàn)變形，1 100 kN時，荷載開始減小，1 031 kN時，試件破壞，試件上半部分鋼管槽末端出現(xiàn)一條裂縫，插板與鋼管連接處鋼管發(fā)生剪切破壞，開槽處的鋼管變形嚴重并外翹。試件發(fā)生剪切破壞和凈截面聯(lián)合破壞。試件4的屈服承載力和極限承載力大于試件3。

LJ-5：試驗機監(jiān)測軟件試驗加載至1 000 kN時，槽末端(B區(qū))焊縫破壞，荷載達到1 100 kN時，鋼管C區(qū)鋼管變細，有拉斷的趨勢，1 162 kN時，荷載增加緩慢，位移增加變快，1 065 kN時，試件上半部分鋼管的C區(qū)凈截面拉斷，下半部分槽末端局部屈曲，鋼管開槽末端凈截面拉斷。試件LJ-5的極限承載力與試件LJ-4相差不多。

5 試驗結(jié)果

根據(jù)試件布置的三向應(yīng)變片測得的應(yīng)變值，換算成Von-Mises等效應(yīng)力，應(yīng)力數(shù)值大于500 MPa時在圖中不表示。各試件等效應(yīng)力數(shù)值見圖8～圖12。

軸壓試件LJ-1與LJ-2對比，見圖8，圖9，試件中開槽前端測點S1，S2，S3，LJ-1中S2測點的等效應(yīng)力值小于槽末端測點S1，S3，在達到極限承載力時除測點S2，S1，S3均屈服，而試件LJ-2達到極限承載力時，測點S1，S2，S3均未屈服，說明十字形連接板插入鋼管長度大小影響鋼管開槽前端截面應(yīng)力集中和剪切滯后現(xiàn)象；從圖8b)，圖9b)可知，距槽近測點應(yīng)力明顯大于距槽遠的測點，進一步說明連接節(jié)點應(yīng)力分布不均，在軸壓設(shè)計時，應(yīng)對截面效率進行折減。

軸拉試件LJ-3，LJ-4，LJ-5對比，見圖10～圖12，由槽前端測點S1，S2，S3等效應(yīng)力數(shù)值及等效應(yīng)力分布可知，距離槽近的測點應(yīng)力大于距離槽遠的，說明該連接存在剪切滯后現(xiàn)象，隨著開槽長度的增加測點應(yīng)力減小，說明開槽長度的增加可以提高連接的承載能力。由圖12b)可知，槽足夠長時槽末端的應(yīng)力集中現(xiàn)象仍然很明顯，說明在軸拉連接設(shè)計時，同軸壓設(shè)計一樣，需要對截面效率進行折減。

6 結(jié)語

本文對某項目中鋼管結(jié)構(gòu)剛性連接進行了改進，并通過軸心受力試驗研究，得出鋼管開槽長度對承載能力有影響，在滿足焊縫計算的前提下，應(yīng)考慮開槽長度對承載能力的影響；同時應(yīng)考慮槽末端應(yīng)力集中現(xiàn)象，以及槽與板連接引起的鋼管剪切滯后現(xiàn)象，設(shè)計時應(yīng)對鋼管截面給予一定的折減。

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