新型螺栓球柱節(jié)點靜力承載性能試驗研究

郭小農(nóng)，黃澤韡，楊商飛，彭 禮

（1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海200092；2.上海泰大建筑科技有限公司，上海200092）

在眾多形式的空間結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是近半個世紀(jì)以來在國內(nèi)外得到推廣和應(yīng)用最多的一種形式[1－2]，我國對于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及其節(jié)點的研究也非常成熟[3－4]，還有不少學(xué)者提出了各種新型的網(wǎng)架節(jié)點型式[5－8].

對于傳統(tǒng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，節(jié)點通常采用螺栓球節(jié)點或者焊接空心球節(jié)點；桿件通常采用圓鋼管，按軸心受力構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計.為了避免桿件受彎，所有荷載必須作用在節(jié)點上；因此，為了鋪設(shè)屋面板，通常在節(jié)點上還需另外設(shè)置檁條.這就會增加構(gòu)件種類及數(shù)量，增加建筑高度.尤其對于外觀要求較高的采光頂工程，上弦桿件和檁條這兩層構(gòu)件疊置，視覺效果較差.

相對于傳統(tǒng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，近年來有學(xué)者提出一種無檁網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系[9].無檁網(wǎng)架的上弦桿通常采用矩形管截面，可以兼作檁條，能夠承擔(dān)彎矩和軸力；無檁網(wǎng)架的下弦桿和腹桿根據(jù)受力情況可以仍然按二力桿設(shè)計.無檁網(wǎng)架和傳統(tǒng)有檁網(wǎng)架相比最大的優(yōu)點在于降低了建筑凈高，外形更加美觀，施工更加便捷.

1 螺栓球柱節(jié)點構(gòu)造

螺栓球柱節(jié)點是彭禮和郭小農(nóng)[10]提出的一種新型無檁網(wǎng)架上弦節(jié)點，其具體構(gòu)造如圖1所示.該節(jié)點由兩部分組成：下半部分為實心螺栓半球節(jié)點，其構(gòu)造和傳統(tǒng)的螺栓球節(jié)點相同；上半部分為空心圓柱體，空心圓柱體尺寸和開孔尺寸根據(jù)無檁網(wǎng)架上弦桿件規(guī)格確定；兩部分之間采用等強(qiáng)焊接連接.為了增加節(jié)點的剛度和承載力，也可以在空心圓柱體頂部設(shè)置加勁肋.無檁網(wǎng)架的上弦桿采用矩形管截面，端部和弧形端板等強(qiáng)焊接；端板的弧面尺寸和空心圓柱體相契合，弧形端板上設(shè)置2個內(nèi)螺紋孔.上弦桿弧形端板和節(jié)點圓柱體之間采用內(nèi)六角高強(qiáng)度螺栓連接；螺栓自內(nèi)向外擰緊，圓柱體內(nèi)的空腔提供操作內(nèi)六角高強(qiáng)度螺栓的空間.最后，為了使螺栓和空心圓柱體內(nèi)壁完全接觸，還設(shè)置了弧形墊片.

圖1 螺栓球柱節(jié)點示意圖Fig.1 Configurations of bolted ball－cylinder joint

這種新型螺栓球柱節(jié)點外形美觀，構(gòu)造精巧，對于外觀要求較高的采光頂結(jié)構(gòu)尤其適用，具有廣闊的應(yīng)用前景.為了探究這種新型螺栓球柱節(jié)點的破壞模式、節(jié)點承載力和節(jié)點剛度等性能，本文進(jìn)行了13個螺栓球柱節(jié)點試驗，詳細(xì)介紹了試驗過程，描述了試驗現(xiàn)象，總結(jié)了其破壞模式、承載力特性和剛度特性.試驗數(shù)據(jù)為后續(xù)的節(jié)點承載力以及節(jié)點剛度研究提供了基礎(chǔ).

2 試驗簡介

2.1 試件設(shè)計

本文共設(shè)計了13個螺栓球柱節(jié)點試件，試件詳圖如圖2所示，部分試件的照片如圖3所示.每個節(jié)點圓柱端均連接4根矩形鋼管，相鄰桿件角度均為90°，桿件截面規(guī)格均為120 mm×60 mm×5 mm，較長桿件長度為116 mm，較短桿件長度為56 mm.對于螺栓球柱節(jié)點而言，螺栓半球部分通常不會發(fā)生破壞，因此在設(shè)計試件時將下半球簡化為一個實心半球，為了加載方便，在半球外側(cè)焊接了一根Φ43×3 mm、長40 mm的圓管.所有節(jié)點的螺栓型號采用M20，性能等級為10.9級.弧形端板高度120 mm，寬度60 mm，螺栓邊距30 mm，螺栓間距60 mm；增設(shè)了加勁肋的試件，其加勁肋寬度20 mm，加勁肋厚度12 mm，加勁肋通過精加工和圓筒一起成型.桿件及節(jié)點的材料牌號均為Q235鋼材.

表1給出了所有試件的具體信息.表1中，“JD”代表試件編號；“H”代表圓柱部分高度；“T”代表圓柱壁厚；“RY”表示設(shè)置了加勁肋，“RN”表示無加勁肋；“C”，“T”，“SB”，“WB”均表示加載方式，分別代表了受壓、受拉、強(qiáng)軸受彎、弱軸受彎.

2.2 加載方案

本試驗共采用了4種加載方式，分別為單向施加壓力、單向施加拉力、強(qiáng)軸彎曲加載和弱軸彎曲加載.加載方式如圖4所示.其中，對6個節(jié)點進(jìn)行了壓力加載.由于螺栓球柱節(jié)點主要用于網(wǎng)架上弦，網(wǎng)架的上弦通常是受壓構(gòu)件，且單向受壓比雙向受壓更加不利，故在加載時采用了單向壓力加載.在懸挑網(wǎng)架中也可能出現(xiàn)上弦桿受拉的情況，故對3個節(jié)點進(jìn)行了拉力加載.另外，為了考慮節(jié)點的轉(zhuǎn)動剛度以及在彎矩作用下的承載性能，還各取2個節(jié)點進(jìn)行了強(qiáng)軸彎曲加載和弱軸彎曲加載.所有荷載均通過桿件的中心線.

表1 螺栓球柱節(jié)點模型試件匯總表Tab.1 Geometrical parameters of bolted ball－cylinder joint specimens corresponding to Fig.2

圖4 加載方式Fig.4 Loading schemes

2.3 測點布置

如圖5所示，對于受拉和受壓試件，在圓柱體管口交差布置位移計（D1，D2）測量圓柱體管口的相對位移.圓柱體在A－A，B－B截面處各布置4枚應(yīng)變片（SA1～SA4，SB1～SB4），與水平、豎直方向夾角45°，用于測量節(jié)點受力時圓柱筒壁的應(yīng)變量.受力桿的CC，D－D 截面各布置4枚應(yīng)變片（SC1～SC4，SD1～SD4），用于校核軸力的大小.

圖5 單向受力構(gòu)件測點布置圖Fig.5 Measuring point ar rangement of axis loading specimens

如圖6，7所示，對于受彎試件，在圓柱筒壁兩側(cè)和支座端板處布置位移計（D1，D2，D3，D4），用于測量節(jié)點受彎時的撓度.圓柱體在A－A，B－B截面處各布置4枚應(yīng)變片（SA1～SA4，SB1～SB4），與水平、豎直方向夾角45°，用于測量節(jié)點受力時圓柱筒壁的應(yīng)變量.受力桿的C－C，D－D截面處各布置4枚應(yīng)變片（SC1～SC4，SD1～SD4），測量彎矩的大小.

2.4 材性試驗

試驗前從空心圓柱體的芯部取樣，共制作了6個材料拉伸試樣，拉伸試驗結(jié)果如表2所示，破壞后的拉伸試樣如圖8所示.

表2 材性試驗結(jié)果Tab.2 Result of tensile test

圖8 破壞的拉伸試樣Fig.8 Material test of specimens

3 試驗現(xiàn)象簡述

試驗完成后，將試件拆卸觀察，根據(jù)試件的破壞現(xiàn)象可以歸納出各試件的破壞模式（表3）.部分試件破壞時的照片如圖9所示.

表3 試驗結(jié)果匯總Tab.3 Results of tests

圖9 部分試件破壞時照片F(xiàn)ig.9 Specimens after testing

4 試驗結(jié)果分析

4.1 實測荷載－位移曲線

圖10給出了部分單向受壓試件的管口壓縮變形的實測荷載－位移曲線；圖11為圖10的加載初期曲線.圖10，11中，橫軸代表管口相對壓縮變形，縱軸為荷載.從圖10可以看出，在壓力作用下，節(jié)點的壓縮變形能力很強(qiáng)，呈現(xiàn)出很好的延性.在加載初期荷載位移曲線基本為直線，隨著荷載的增加，孔壁逐漸進(jìn)入塑性，剛度逐漸降低.結(jié)合圖11及表3可知，JD5－H140－T10－RY－C由于設(shè)置了加勁肋，其初始剛度明顯大于其他試件，承載力也最高；而JD6－H120－T08－RY－C雖然也設(shè)置了加勁肋，但其圓柱筒壁較薄，受壓承載力小于其他試件.比較各試件的承載力可知，筒壁厚度對受壓承載力有較大影響，筒壁越薄，受壓承載能力越差.受壓試件中，僅有JD4－H120－T10－RN－C為沖切破壞，發(fā)生破壞時節(jié)點的變形較小，延性比其他試件更差，且破壞發(fā)生時很突然，屬于脆性破壞，故在實際工程中應(yīng)盡量避免.

圖12給出所有單向受拉試件的管口拉伸變形的實測荷載－位移曲線.圖中，橫軸代表管口相對拉伸變形，縱軸為荷載.從圖12可以看出，在拉力作用下，未 設(shè) 加 勁 肋 的 JD7－H120－T08－RN－T，JD8－H160－T08－RN－T管口變形較大，呈現(xiàn)出很好的塑性；而設(shè)置了加勁肋的JD9－H120－T08－RY－T的初始剛度明顯大于其他試件，但由于其節(jié)點承載力高于桿件焊縫承載力，故當(dāng)發(fā)生桿件焊縫拉裂破壞時，管壁基本還處于彈性階段，塑性發(fā)展不明顯，筒壁幾乎沒有可見變形.

圖10 部分受壓試件管口壓縮變形的荷載－位移曲線Fig.10 Load－displacement of com pression specimens

圖11 部分受壓試件管口壓縮變形的荷載－位移曲線（加載初期段）Fig.11 Load－displacement of compression specimens（initial loading period）

圖12 受拉試件孔口拉伸變形的荷載－位移曲線Fig.12 Load－displacement of tension specimens

圖13給出所有強(qiáng)軸受彎試件的中點豎向撓度的實測荷載－撓度曲線.圖中，橫軸代表中點豎向撓度，縱軸為荷載；中點豎向撓度根據(jù)位移計D1～D4的讀數(shù)計算得到，中點豎向撓度＝（D1位移＋D2位移－D3位移－D4位移）／2.從圖13可以看出，螺栓球柱節(jié)點具有較好的強(qiáng)軸受彎承載能力.在加載初期荷載－撓度曲線基本為直線，隨著荷載的增加，孔壁逐漸進(jìn)入塑性，剛度逐漸降低.JD11－H160－T12－RY－SB由于設(shè)置了加勁肋且壁厚較厚，其強(qiáng)軸受彎承載能力明顯高于JD10－H140－T08－RN－SB，但塑性相對較差.從圖中也可以看出兩者的初始剛度相差不大，這主要是因為節(jié)點在繞強(qiáng)軸彎矩作用下，桿件端板和管口外壁之間有張開的趨勢，此時的抗彎剛度主要取決于螺栓的剛度，而和是否設(shè)置加勁肋關(guān)系不大.

圖13 強(qiáng)軸受彎試件荷載－中點撓度曲線Fig.13 Load－deflection of strong－axis bending specimens

圖14給出所有弱軸受彎試件的中點豎向撓度的實測荷載－撓度曲線.圖中，橫軸代表中點豎向撓度，縱軸為荷載；中點豎向撓度根據(jù)位移計D1～D4的讀數(shù)計算得到，中點豎向撓度＝（D1位移＋D2位移－D3位移－D4位移）／2.從圖14可以看出，螺栓球柱節(jié)點具有一定的弱軸受彎承載能力，但是較其他受力狀態(tài)承載能力弱，曲線較早進(jìn)入了非線性.隨著荷載的增加，孔壁逐漸進(jìn)入塑性，剛度逐漸降低.

圖14 弱軸受彎試件荷載－中點撓度曲線Fig.14 Load－deflection of weak－axis bending specimens

4.2 實測荷載－應(yīng)變曲線

圖15給出了受壓試件JD3－H120－T12－RN－C孔口實測荷載－應(yīng)變曲線.從圖中可知曲線出現(xiàn)了兩次轉(zhuǎn)折.加載初期，由于千斤頂從試件上端施加荷載，位于試件水平軸線上部的SA1，SA2處主要為壓應(yīng)變，位于試件水平軸線下部的SA3，SA4處主要為拉應(yīng)變.加載中期，管口鋼材開始屈服，剛度逐漸下降，管口豎向相對壓縮位移增大的同時水平方向相對擴(kuò)張，因而測點處受到一定拉應(yīng)力，產(chǎn)生第一個轉(zhuǎn)折.加載后期，由于桿件連接處內(nèi)、外墊板的存在使管口變形受到一定限制，受力桿向中心擠壓，管口測點處受到壓應(yīng)力，產(chǎn)生第二個轉(zhuǎn)折，此時管口變形快速增大.

圖15 JD3－H120－T12－RN－C荷載－應(yīng)變曲線Fig.15 Load－strain of specimen JD3－H120－T12－RN－C

圖16給出了受拉試件JD7－H120－T08－RN－T管口實測荷載－應(yīng)變曲線.圖中曲線同樣轉(zhuǎn)折了兩次.加載初期，試件處在彈性階段，荷載－應(yīng)變曲線基本為線性增長.加載中期，試件進(jìn)入塑性階段，剛度逐漸下降，出現(xiàn)第一個轉(zhuǎn)折.加載后期，管口變形快速增大，荷載－應(yīng)變曲線出現(xiàn)第二個轉(zhuǎn)折，直到焊縫出現(xiàn)拉裂破壞.

圖16 JD7－H120－T08－RN－T荷載－應(yīng)變曲線Fig.16 Load－strain of specimen JD7－H120－T08－RN－T

從圖15和圖16還可以看出，在單向壓力和拉力作用下，圓柱筒壁的應(yīng)力以環(huán)向應(yīng)力為主；在整個加載過程中，各測點處的環(huán)向應(yīng)力之間差異不大，應(yīng)力應(yīng)變的發(fā)展趨勢基本一致.

圖17給出了強(qiáng)軸受彎試件JD10－H140－T08－RN－S管口實測荷載－應(yīng)變曲線.從圖中可知，整個加載過程中應(yīng)變片主要為壓應(yīng)變.加載初期，試件處在彈性階段，荷載－應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出良好的線性.加載后期，螺栓附近管壁屈服，管口變扁，應(yīng)變加速增長.

圖17 JD10－H140－T08－RN－SB荷載－應(yīng)變曲線Fig.17 Load－strain of specimen JD10－H140－T08－RN－S

圖18給出了弱軸受彎試件JD13－H140－T12－RN－WB管口實測荷載－應(yīng)變曲線.從圖中可知，加載初期，在彎矩作用下位于試件水平軸線上部的SA1，SA2處主要呈壓應(yīng)變，位于試件水平軸線下部的SA3，SA4處主要呈拉應(yīng)變.加載后期，SA3，SA4處逐漸轉(zhuǎn)折，試件下部受到壓應(yīng)力.

從圖17和圖18還可以看出，在彎矩作用下，圓柱筒壁的應(yīng)力以同樣以環(huán)向應(yīng)力為主；在整個加載過程中，強(qiáng)軸受彎各測點處的環(huán)向應(yīng)力之間差異不大，應(yīng)力應(yīng)變的發(fā)展趨勢基本一致，但弱軸受彎不同測點的環(huán)向應(yīng)力有較大的差異.

圖18 JD13－H140－T12－RN－WB荷載－應(yīng)變曲線Fig.18 Load－strain of specimen JD13－H140－T12－RN－W

5 結(jié)論

本文在傳統(tǒng)網(wǎng)架螺栓球節(jié)點的基礎(chǔ)上，研發(fā)了一種可用于無檁網(wǎng)架的新型節(jié)點——螺栓球柱節(jié)點.完成了13個螺栓球柱節(jié)點的承載力試驗，通過試驗可得出如下結(jié)論：

（1）螺栓球柱節(jié)點在不同的受力模式下主要有圓柱筒壁壓扁破壞、圓柱筒壁沖切破壞、螺栓拔出破壞、焊縫拉裂破壞等4種破壞模式.單向受壓試件主要發(fā)生管口變形過大的圓柱筒壁壓扁破壞；但是當(dāng)圓柱部分直徑較大、孔壁較薄時可能在連接桿件處發(fā)生沖切破壞，此類破壞為脆性破壞，實際工程中應(yīng)盡量避免.對單向受拉試件主要破壞模式為焊縫拉裂破壞及螺栓拔出破壞.受彎試件則主要為螺栓拔出破壞.

（2）當(dāng)螺栓球柱節(jié)點承受單向壓力或拉力時，設(shè)置加勁肋能大幅提高節(jié)點的剛度和承載力.在強(qiáng)軸受彎時，設(shè)置加勁肋僅對節(jié)點的承載能力有提高，但對節(jié)點的剛度影響不大.

（3）螺栓球柱節(jié)點的壁厚越厚，其剛度越大，承載能力越高.

（4）在單向壓力和拉力作用下，圓柱筒壁的應(yīng)力以環(huán)向應(yīng)力為主；在整個加載過程中，各測點處的環(huán)向應(yīng)力之間差異不大，應(yīng)力應(yīng)變的發(fā)展趨勢基本一致.

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