圓鋼管相貫節(jié)點滯回特性實驗綜述

葛成成

摘 要 對兩種幾何特征的圓鋼管空間相貫節(jié)點進(jìn)行了靜力單調(diào)和反復(fù)加載的實驗研究，設(shè)計了專用的加載裝置以對試件中的桿件和節(jié)點施加較大內(nèi)力。研究揭示了這類節(jié)點塑性變形沿首次塑性開展方向累積的特點，并指出單調(diào)加載曲線可以基本包覆滯回曲線。實驗表明，采用相貫節(jié)點的鋼管結(jié)構(gòu)，其滯回特性取決于節(jié)點的滯回行為。

關(guān)鍵詞 鋼結(jié)構(gòu) 相貫節(jié)點 滯回性能 實驗研究 加載裝置

中圖分類號：TU392.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0引言

圓鋼管結(jié)構(gòu)相貫節(jié)點的靜力強(qiáng)度問題已經(jīng)得到較多的研究，有關(guān)高周疲勞的機(jī)理研究也在不斷深入，但是對低周反復(fù)荷載作用下相貫節(jié)點彈塑性滯回性能的研究則還未充分展開。工程中采用相貫節(jié)點的鋼管結(jié)構(gòu)一般并不是按照與桿件等強(qiáng)或超強(qiáng)的原則來進(jìn)行節(jié)點設(shè)計的，而當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)處在抗震設(shè)防區(qū)域時，較大的地震作用完全可能在結(jié)構(gòu)桿件內(nèi)引發(fā)超過設(shè)計內(nèi)力的荷載效應(yīng)。正是由于相貫節(jié)點在承載強(qiáng)度上具有這種與框架梁柱節(jié)點不同的特性，結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的整體性能更依賴于節(jié)點而非桿件，所以對相貫節(jié)點滯回性能的把握和利用就成為保證結(jié)構(gòu)抗震安全性的一個非常重要的課題。

本文報告關(guān)于圓鋼管相貫節(jié)點滯回性能的實驗研究。研究的直接工程背景是廣州國際會展中心張弦桁架。該桁架為圓鋼管空間桁架，節(jié)點形式為KK形相貫節(jié)點。由于工程建造在7度設(shè)防區(qū)，節(jié)點滯回性能的研究成為結(jié)構(gòu)抗震性能評價的必要一環(huán)。

1實驗設(shè)計

節(jié)點加載的基本方式有兩類：第一，直接以節(jié)點為加載對象；第二，以桁架結(jié)構(gòu)整體為加載對象。第一種加載方式，其優(yōu)點是節(jié)點受力直接，便于采用足尺試件使構(gòu)造細(xì)部接近實際；缺點是試件約束條件與實際結(jié)構(gòu)有一定差別，反復(fù)加載的施力方式也較難接近實際工況。大跨度桁架結(jié)構(gòu)承受地震作用時，主要影響是地震的上下動分量。為了模擬這種情況，本實驗研究中設(shè)計了桁架右邊的懸臂部分為加載節(jié)間和作為研究對象的試驗節(jié)間，用螺栓固定在左邊的支承結(jié)構(gòu)上。加載節(jié)間的上下弦節(jié)點安放油壓千斤頂，可以進(jìn)行單調(diào)加載或反復(fù)加載。將被試節(jié)點置于懸臂部分內(nèi)，使得與節(jié)點相連的弦桿內(nèi)力可以接近或超過實際工程結(jié)構(gòu)中的最大設(shè)計軸力。

試件設(shè)計時，鋼管規(guī)格、節(jié)點部位的幾何尺寸、桿件的相對角度與實際結(jié)構(gòu)都相同，但桿件的軸線尺寸則予以縮小，以適應(yīng)實驗室的加載條件。軸線縮尺后可能引起的問題是桿件內(nèi)力成分的相對比例發(fā)生變化。對弦桿節(jié)點區(qū)的應(yīng)力狀況則影響不大。單調(diào)加載時，由安放在上弦的千斤頂施加荷載，使得被試節(jié)點的弦桿受壓。加載至節(jié)點區(qū)焊縫乃至鋼管發(fā)生斷裂或節(jié)點發(fā)生過度塑性變形以至出現(xiàn)極限荷載后的下降段時停止加載。反復(fù)加載時，由安放在上弦和下弦的千斤頂交替加載。以桁架懸臂端撓度作為加載控制條件?？紤]張弦桁架的弦桿受壓對節(jié)點承載更為不利的特點，在反復(fù)加載中，由下往上施加荷載引起的懸臂端位移控制值略小于使節(jié)點弦桿受壓時的端部位移值。

2主要實驗結(jié)果

結(jié)合應(yīng)變分析，在給定的節(jié)點參數(shù)下，桁架整體的彈塑性滯回變形主要源于節(jié)點部位弦桿的局部變形。各滯回環(huán)在卸載初期都存在荷載變化而位移不變的“剛性卸載”現(xiàn)象，主要是由于懸臂部分與支承結(jié)構(gòu)部分螺栓連接的相對變形在卸載初期未能及時恢復(fù)。

腹桿測點應(yīng)變在加載全程中均小于屈服應(yīng)變，據(jù)此計算出腹桿軸力；沿腹桿軸線量測腹桿上的測點相對弦桿軸線的變形，從中扣除腹桿軸向變形后得到節(jié)點部位弦桿管壁變形。腹桿軸力以拉為正、以壓為負(fù)，相應(yīng)的節(jié)點區(qū)域弦桿管壁變形亦以凸出為正，凹進(jìn)為負(fù)。

得到如下特點：（1）盡管循環(huán)過程中作用在節(jié)點部位的腹桿軸力拉壓變號，但最初的塑性變形一旦發(fā)生其方向就不改變；（2）單調(diào)加載的軸力變形曲線能包覆滯回曲線。

要正確分析結(jié)構(gòu)在地震作用下的非線性滯回特性，確定合適的結(jié)構(gòu)計算模型是重要的。用相貫節(jié)點連接的鋼管構(gòu)架一般在工程結(jié)構(gòu)靜力分析時作為全鉸接的桁架?？紤]到弦桿的連續(xù)性，則半鉸結(jié)構(gòu)也是可行的。但在一定的幾何參數(shù)條件下，相貫節(jié)點亦可作為剛性節(jié)點看待。

3節(jié)點滯回特性評價

本項實驗中，具有相同幾何參數(shù)的試件，無論是單調(diào)加載還是反復(fù)加載，其最終破壞特征相同。某試件弦桿管壁變形增大后最終導(dǎo)致受拉腹桿趾部焊縫處管壁拉裂；另外試件都是在弦桿管壁塑性變形充分發(fā)展后出現(xiàn)承載力極值點。綜合分析，可知滯回過程對破壞模式?jīng)]有顯著影響。

桿件承受軸力為主的相貫節(jié)點破壞主要有兩種界定方法：

（1）作用在腹桿上的軸力出現(xiàn)極值點，稱為極限強(qiáng)度準(zhǔn)則；

（2）弦管管壁凹凸塑性變形達(dá)到某一限值，稱為極限變形準(zhǔn)則。

總起來看，單調(diào)荷載下的節(jié)點承載力略高于反復(fù)荷載下的節(jié)點極限承載力?？拐鹪O(shè)計時應(yīng)適當(dāng)考慮這一因素。由首次觀察到弦桿管壁屈服到節(jié)點達(dá)到極限承載力，兩者的變形率都較大，表現(xiàn)出較好的延性。但承受反復(fù)荷載作用時節(jié)點的變形率稍低，節(jié)點滯回的優(yōu)良特性表達(dá)顯著。

4結(jié)論

（1）根據(jù)反復(fù)荷載加載特性設(shè)計了加載裝置，實施了相貫節(jié)點的滯回性能實驗。

（2）揭示了相貫節(jié)點在腹桿變號軸力反復(fù)作用下變形沿首次塑性開展方向累積的特性，以及單調(diào)加載曲線基本包覆并略高于滯回曲線的性質(zhì)。

（3）指出采用相貫節(jié)點的鋼管結(jié)構(gòu)，其滯回性能取決于節(jié)點的滯回性能，結(jié)合工程實際，對特定幾何參數(shù)的相貫節(jié)點的塑性耗能能力及抗震性能進(jìn)行了評價。

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