钢管混凝土梁柱节点贯通横隔板力学特性试验研究

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(1.湖南省高速公路管理局， 湖南 长沙 410000； 2.江苏省武警总队， 江苏 南京 210000；3.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院， 上海 200240)

钢管混凝土梁柱节点贯通横隔板力学特性试验研究

肖薇薇1，高海健2，付功义3

(1.湖南省高速公路管理局， 湖南 长沙 410000； 2.江苏省武警总队， 江苏 南京 210000；3.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院， 上海 200240)

为了研究钢管混凝土梁柱立体节点增强贯通横隔板的力学特性，以梁柱空间节点的局部强度为研究对象，施加45°方向水平反复荷载，通过考察节点域的应变分布及梁柱节点的屈服破坏情况，对贯通横隔板的补强作用进行试验研究。试验结果表明：贯通横隔板显著提高了梁柱节点的强度及抵抗屈服变形的能力。

钢管混凝土; 贯通横隔板; 梁柱立体节点; 节点域; 力学特性

0 引言

真正意义上的钢管混凝土结构首次出现于1891年的美国衣阿华州，当时在建造名为“红桥”的钢桁梁桥时采用了钢管混凝土柱做桥墩。在19世纪末至20世纪初期间，钢管混凝土柱因其强大的承压能力常被用来做钢桁梁桥的桥墩。1939年俄罗斯在乌拉尔地区建成世界上第一座钢管混凝土拱桥——跨度为140 m的卡缅斯克桥。在日本，钢管混凝土结构因其良好的抗震性能，在工业与民用建筑及桥梁中都得到了广泛的应用。1996年，日本在建造其北部胜冈地区通往秋田新干线的高架引桥时了采用了圆钢管混凝土柱与工字钢混凝土相结合的混合结构。该结构不仅满足软土地基承载力的要求，还因为大大减少了模板的安装而缩短了工期。1990年，中国建成跨度115 m的下承式系杆拱桥——四川旺苍东河桥，成为中国第一座钢管混凝土拱桥。近年来随着经济迅速发展，钢管混凝土结构在我国的高层建筑、地铁车站，尤其是大跨度桥梁工程中得到了卓有成效的应用[1-6]。

钢管混凝土梁柱节点是钢管混凝土结构体系的重要组成部分，它主要传递梁端剪力和弯矩(刚性节点)或仅传递梁端剪力(铰接节点)。作为一种新兴的结构形式，钢管混凝土结构节点强度和刚度的研究在很多国家受到了重视。随着钢管混凝土结构在土建工程中的广泛应用，很多新的节点构造形式被创造出来。比如外环板式、內隔板式、环板贯通式、端板螺栓式、栓钉锚固式、铰接节点等。这些节点形式多是针对变化多样的具体结构而提出的，关于它们的系统的试验和理论研究目前还很不充分。贯通横隔板加强钢管混凝土结构梁柱立体节点是环板贯通式节点的一种具体结构形式，有关该节点形式的研究资料和试验数据还很缺乏[7-16]。

本文以钢管混凝土结构梁柱立体节点的局部强度为研究对象，采用斜45°方向反复荷载试验加载类型，通过考察柱钢管表面的应变分布及柱梁节点的屈服破坏机制，对贯通横隔板的补强作用进行试验研究。

1 试验过程

1.1 试验构件

梁柱节点试验构件如图1所示。试验构件的个数为2个：TS1无贯通横隔板；TS2有贯通横隔板，其内圆直径D=320 mm，材质为SM490(日本钢材牌号，相当于国内的Q345)。两试件其余参数相同：柱钢管采用SM490冷成型圆形钢管，柱钢管的外径406.4 mm，壁厚12.7 mm，横梁采用焊接H型钢，尺寸为H-400 mm×200 mm×9 mm×19 mm，材质为SM490。 柱填充混凝土的设计基准强度为17.7 N/mm2。为防止横梁的面外变形，分别在横梁A、B和C、D上连接斜梁BH-200 mm×100 mm×9 mm×9 mm，材质为SM490。

图1 试验构件

1.2 加载方法

试验装置如图2所示，柱头和柱脚分别采用滚轴支座和铰接支座，由横梁上连动的A、B、C、D点4个同步油压千斤顶(最大荷载为±4.9×105N，千斤顶行程为±15 cm)进行同步连续加载。这样能保证在梁柱空间节点斜45°方向上再现反复荷载作用下的应力状态。整个加载过程没有考虑柱轴向荷载的作用。以斜45°方向的层间位移角作为反复加载的控制目标。构件斜45°方向的层间位移角Φ目标值分别为：±0.005、±0.01、±0.015、±0.02、±0.025、±0.03、±0.04、±0.05 rad，对每个控制值的层间位移角分别作3周的反复加载循环。

1.3 试件应变及变形的测定方法

在试验构件的梁端加载点处各布置1个应变片，以测定结构的变形，并由所测出的变形推算得出全体位移角。

在距离钢管壁30 mm处梁B上、下翼缘外表面和腹板一侧粘贴SB系列应变片，来测定钢梁轴向应变。在柱钢管壁与梁B相连处单向粘贴P1系列应变片，以测定沿钢管轴向钢管壁的应变。加载方向相反的梁A和梁D、梁B和梁C与梁翼缘范围内柱钢管壁部分称为节点域。在加载方向的不同的横梁B和横梁C之间的节点域粘贴三向应变片(P2系列)，以测定节点域的应变。填充混凝土中，在柱钢管管心位置(C1)和梁B侧柱钢管管壁附近(C2)B-D方向埋入十字交叉的应变片，以测定混凝土的应变。

图2 实验装置图

取梁B(C)上、下翼缘距离柱钢管50 mm处作为测点，测定梁B、C的上、下翼缘侧的局部变形，作为梁柱节点处局部变形量。

对试件TS1，在梁A和梁D腹板中心线与柱钢管交点处及梁A和梁D翼缘中点处的柱钢管壁上布置应变片，来测定节点域的剪切变形；对试件TS2，在梁A和梁D腹板中心线与柱钢管交点处及梁A和梁D中间45°方向处的贯通横隔板上布置应变片，来测定节点域的剪切变形。由此测出的剪切变形可推导出剪切位移角。

2 试验结果

2.1 应变

对于试验构件TS1，在负载荷作用下梁柱节点位置柱钢管的面外屈曲要先于梁上翼缘的张拉屈曲。之后，在正载荷时梁上翼缘的压缩应变增加明显，负载荷时，梁上翼缘的张拉应变增加较小，当梁柱节点达到局部最大强度(sQu)时，梁下翼缘与钢管表面连接处有明显的张拉应变。

TS1节点域的中央位置主应变处发生屈曲，试验构件的最大强度限制了节点域的剪切应变量。能测定出试验构件TS1的梁B下翼缘的变形，上翼缘在正负荷载作用下没有出现大面积的屈曲现象。

对于填充混凝土，混凝土在钢管管心位置沿两个方向的变形大致相同，在无荷载方向也出现压缩应变。在梁B上翼缘位置的钢管壁附近的填充混凝土的应变、梁上翼缘张拉时表现的张拉应变、压缩时的压缩应变最大为1.2%。

对于试验构件TS2，当柱钢管的累积应变在梁柱节点处达到梁柱节点局部全塑性强度(sQp)时，柱钢管的面外屈曲受到管轴方向张拉应变的影响，其应变会超过由材料试验所得的屈服应变，梁翼缘也出现轻微的偏移。

梁翼缘的张拉屈服与梁翼缘处柱钢管的张拉屈服大致同时发生。当达到梁柱节点局部最大强度(sQu)时，梁翼缘处柱钢管表面的张拉应变与梁翼缘的张拉应变增加同样明显。

与无横隔板补强试验构件TS1相比，有横隔板补强的试验构件TS2的梁翼缘的压缩应变比张拉应变进展快得多。

试验构件TS2的节点域、柱钢管和梁翼缘均显现出屈服现象，在最大荷载时，各部分的累积应变增加显著。

对于填充混凝土，试验构件TS2柱钢管管心位置(C1)在无荷载方向也出现压缩应变。在柱钢管管壁附近(C2)的应变、B梁翼缘在张拉应力时表现出的张拉应变、压缩应力时的压缩应变最大为0.6%。

各试验构件的梁端剪力bQ和节点域的累积主变形aγp的关系如图3所示； 梁端剪力bQ和梁端翼缘的累积变形aεb的关系如图4所示；梁端剪力bQ和填充混凝土累积变形aεcc的关系如图5所示。

图3 B梁梁端剪力(bQ)与节点域的累积主应变 (a γp )的关系

图4 B梁梁端剪力(bQ)与梁端翼缘累积应变 (aεb)的关系

图5 B梁梁端剪力(bQ)与填充混凝土累积应变 (aεcc)的关系

2.2 破坏状况

对于试验构件TS1，当Φ=0.015 rad时，在张拉应力作用下，柱钢管壁和梁 B 上翼缘梁端焊接连接处开始出现细微的龟裂裂缝。随后，柱钢管壁在和梁翼缘焊接连接端部处出现龟裂裂缝。在Φ=0.03 rad时,龟裂裂缝有明显发展，在荷载作用下梁B上翼缘从柱钢管壁拔出，梁柱节点局部破坏结束。试验构件的最终破坏状况和梁柱节点的局部破坏的实物照片如图6所示。

图6 无贯通横隔板试验构件TS1梁柱节点局部破坏情况

试验构件TS2，当Φ=0.04 rad时，贯通横隔板与C梁张拉侧翼缘连接角部产生细微的裂缝。当Φ=0.08 rad时，裂缝有明显扩展并达到最大强度。试验构件的最终破坏状况和梁柱节点的局部破坏的实物照片如图7所示。

图7 有贯通横隔板试验构件TS2梁柱节点局部破坏情况

2.3 试验构件各部分的强度

2个试验构件达到梁柱节点局部全塑性强度(sQp)、梁端节点全塑性强度(bjQp)、节点域屈服强度(pQy)和最大强度(pQu)时的梁端剪力如表1所示。作为参考值，括号内的数值表示考虑柱钢管壁的裂缝有明显开展时梁柱节点所能承受的最大荷载。这里sQp是bQ—Δ曲线根据荷载-变形累积准则转换而来的，以适用General Yield Point法(屈服线理论的屈服点确定法)。梁端节点的全塑性强度bjQp、节点域屈服强度pQy是根据梁翼缘、节点域和柱钢管表面上所贴的应变片测定的结果曲线上，切线刚度为初期刚度的1/5时所对应的荷载值求出的(参见图3～图5)。2试验构件各部分屈服强度以及全塑性强度可由图3～图5中●所示位置求出。

表1 试验构件的梁端剪力试验构件载荷方向梁柱节点sQp梁端节点bjQp节点域载荷方向pQypQuBUN．L．236．1290．7N．L．(325．3)TS1BLP．L．221．0290．8CUP．L．232．4P．L．(300．1)CLN．L．229．7BUN．L．310．0313．3N．L．288．3(380．8)TS2BLP．L．310．2318．7CUP．L．316．1P．L．280．4(412．9)CLN．L．312．6 注：BU、CU为B、C梁上翼缘；BL、CL为B、C梁下翼缘；N．L．为负荷载，P．L．为正荷载。

3 结论

1) 在同一荷载强度下，贯通横隔板增强节点的累积应变显著低于无横隔板增强节点。

2) 贯通横隔板显著延缓了荷载作用下节点上龟裂裂缝的产生，增强了节点抵抗破坏的能力；且增强节点的开裂发生在横隔板上而不是柱钢管壁上(普通节点)，这更方便于维修工作的展开。

3) 试验构件达到强度极限时，增强节点的梁端剪力显著高于普通节点，说明贯通横隔板较大地提高了梁柱节点的屈服强度。

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1008-844X(2017)03-0145-04

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2017-05-05

肖薇薇(1976-)，女，工学博士，工程师，研究方向： 结构工程。