空间网架结构钢管混凝土柱节点力学性能足尺试验及分析

李明方　蔡元奇　卢云祥　娄泽方

摘要：采用足尺试验与数值仿真相结合的方法研究空间网架结构中的钢管混凝土柱节点的受力及抗震性能。试验荷载逐级加载到设计荷载的1.6倍并观测柱节点的变形与应力。试验结果表明试验荷载下柱节点钢结构部分基本处于弹性状态，混凝土极小部分区域超出压应力极限，钢管与混凝土粘接良好。非线性有限元分析结果揭示了柱节点在低周往复荷载作用下的滞回耗能能力和破坏特征，指出了柱节点承载的薄弱位置，给出了柱节点的极限承载力。结果表明，足尺试验与数值计算相结合的方法可以全面揭示柱节点的受力特性及抗震性能。

关键词：钢管混凝土柱节点；足尺试验；非线性有限元；极限承载力；滞回耗能能力

中图分类号：TU375.3文献标志码：A文章编号：16744764（2013）06007309

近年来一些学者对钢管混凝土柱节点的抗震性能进行了很多有益的探讨，主要研究了钢管混凝土柱与钢梁连接的各种节点的抗震性能并发展了节点抗震性能计算的非线性有限元方法，如：Nishiyama等[1]对10个钢管混凝土柱钢梁节点进行了试验研究，分析了高强度材料对柱节点抗震性能的影响。Zhang等[2]分析了4个加腋型钢管混凝土柱钢梁节点的抗震性能，重点研究了加腋板区域的剪切失效行为，结果显示失效模式对应力分布的特征有重要影响。Kang等[3]研究了方钢管混凝土柱与H型钢连接节点的抗震性能。尧国皇等[4]提出了一种钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁的新型节点形式，节点符合“强柱、弱梁、节点更强”的抗震设计原则。Cheng等[5]研究了4个带钢筋混凝土板的钢管混凝土柱钢梁节点的抗震性能，未观察到节点连接板区域的破坏。Han等[6]通过试验研究了带钢筋混凝土板的钢管混凝土柱钢梁节点的抗震性能，6个试件分别观察到梁失效和柱失效模式。Schneider等[7]研究了钢管混凝土柱与工字型钢梁的不同连接形式对节点抗震性能的影响，结果发现贯通的腹板连接和贯通的翼缘板连接表现出最优滞回循环特性。刘士润[8]对穿透式钢管混凝土柱节点进行了研究，分别得到了节点的延性、耗能能力和转动刚度等参数，并建立了节点连接处抗弯承载力计算公式和受剪承载力公式。霍静思等[9]基于弹塑性有限元理论建立了钢管混凝土柱钢梁节点荷载位移全过程非线性有限元模型。Tort等[1011]发展了一种混合有限元方法，将12自由度梁增加6个平移自由度，来模拟静力和动力荷载下钢管混凝土柱钢梁框架的受力性能。Li等[12]采用有限元方法分析了带钢筋混凝土板的钢管混凝土柱钢梁节点在循环荷载下的抗震性能，分析中考虑了几何非线性和材料非线性，并分析了节点特定参数对抗震性能的影响。这些研究成果极大的促进了钢管混凝土柱节点在工程中的应用。

本文介绍了一种新型钢管混凝土柱空间网架节点，采用足尺试验与数值仿真相结合的方法研究了这种复杂节点的受力特性及抗震性能。首先详细介绍了节点足尺试验的试验方案及结果，随后采用有限元ABAQUS对节点的受力性能及耗能性能进行数值仿真，分析中考虑了材料非线性和几何非线性，并考虑了钢管和混凝土之间的接触单元。将有限元结果与试验结果进行比较，吻合较好。有限元结果给出了节点的破坏模式、极限承载力及滞回耗能能力，并给出了节点在各种状态下的应力分布云图。

1试验背景

某国际博览中心大跨度屋盖结构复杂，主展馆屋盖主要采用空间网架结构，网架结构通过钢管混凝土柱节点与钢管混凝土柱连接。钢管混凝土柱节点与网架结构的连接如图1所示，节点位于柱的顶端，节点底部标高19.335 m，网架结构的支管贯通钢管混凝土柱，支管和柱顶端的交汇区域形成钢管混凝土柱节点，该节点实体庞大，受力复杂。柱节点与钢管混凝土柱焊接为整体，内部混凝土同时浇注。柱节点钢管柱的直径为1.4 m，各支管通过耳板及肋板与钢管柱连接，并深入钢管柱内部相交，其设计构造如图2所示。由于该钢管混凝土柱节点位于结构的重要位置，且在不同工况条件下柱节点应力变化幅度大，其承载能力直接影响到整个结构的安全性，因此需要对该柱节点进行受力性能和抗震性能研究。

2足尺试验

2.1加载系统及试验模型设计

钢节点试验中的关键环节是设计出安全可靠的加载系统，其中包括反力装置、加载设备、加载控制系统和加载方案等。本次试验的反力装置主要利用武汉大学结构试验大厅三面L型反力墙和大型承力架。把试件放在大型承力架的空间内，综合利用L型反力墙和大型承力架，可以实现多杆件任意角度同时加载。试验加载设备主要为液压加载设备，有手动液压加载器、电动液压加载器和液压伺服操作平台，并配合与之匹配的单向液压千斤顶和双向液压张拉顶。柱节点试件采用1∶1足尺试件，试件制作标准与实际工程中的节点相同。试验中为了减小加载装置对试验节点应力分布的影响，各支管均取一定的外伸尺寸，外伸尺寸结合反力墙、反力架和加载装置的尺寸综合确定得到。支管端加封头板和加劲肋，以保证节点在加载过程中不会因杆端局部集中受力而首先破坏。各支管尺寸如表2所示。

2.2应变及位移测点布置

应变片测点共分四类，总计209个测点，如图3和图4所示。第一类测点监测各支管的轴力，采用单向应变片，测点编号S1～S32。第二类测点监测柱节点钢管壁上的应力，采用应变花，测点布置在各支管与柱相交的焊缝附近，沿柱各高程（距试件柱脚0.7、1.7、3.5、4.7和5.7 m）亦布置测点，测点编号T1～T32和T37～T55。第三类测点监测各支管耳板上的应力，采用应变花，测点编号T33～T36。第四类测点监测柱节点内部连接板应力，编号SB1～SB6和TB1～TB2，浇注混凝土后，第四类测点被混凝土包围。

柱节点试件和千斤顶均由螺栓固定在反力墙上，试验过程中试件和千斤顶可能会滑动，产生刚体位移，导致加载偏心等问题。为此在柱节点试件的底部、中部和顶部布置位移测点进行监测，底部测点采用电子位移计，测点编号W1～W2，中部和顶部采用全站仪，测点编号Q1～Q2，位移测点布置如图4所示。加载偏心可能使受压杆件失稳，不能达到试验目的，4#支管受压荷载较大，杆件最长，因此在4#支管中部布置两个位移测点监控压杆的加载状况，采用电子位移计，测点编号W3～W4。

为了保证加载的准确性，试件安装时应特别注意偏心问题。首先用激光测距仪进行初步对中，然后预加载20%，以消除安装间隙，同时调试测试系统和应变片工作状态。预加载时密切观测杆件上单向应变计的应变，逐步调整加力点位置，直到各支杆中部截面各应变一致为止。预加载完成后，对测试系统调零开始试验；共分19级同步加载，其中第14级为设计荷载。每级加载完成后停留10 min，再采集数据。加载到最大试验荷载并完成数据采集后，进行分级卸载，完全卸载后采集各测点残余应变。

3试验数据分析

3.1荷载校核

试验过程中为了确保每个支管上施加的荷载达到设计要求，在各支管中部布置4个相差90°、沿杆轴向的单向应变片来监测支管上实际轴力。轴力计算采用线弹性理论，应变取4个应变片的平均值，这样可以有效消除弯矩的影响。轴力的监测结果如图6所示。从图6可见，各支管在试验中测得的轴力与设计值基本吻合，说明试验达到了设计要求，其结果可靠。

位移测点监控的位移数据如图7所示。由图7可见，柱节点底部的测点位移值很小，最大约1.5 mm，可以判定试验过程中试件没有产生刚体位移。其他各测点位移变化平稳，无跳跃，最大位移不超过15 mm，没有出现失稳现象，试验满足相关规范要求[14]，加载过程可靠。由柱节点的位移监测数据可见，钢管混凝土柱上明显存在弯矩作用，其上的水平位移主要由弯矩引起。

4数值分析

钢管混凝土柱节点受力复杂，采用足尺试验与数值仿真相结合的方法可以更全面的把握节点的受力状态。足尺试验受到实验室加载条件的限制，反复荷载加载装置更受到加载吨位的限制，同时足尺试验时钢管内部混凝土的应力状态不易监测，而数值仿真加载不受限制，并且可以比较准确地模拟试验过程中混凝土的应力状态，包括混凝土的开裂、软化等，更全面的反映节点的受力性能。本文采用有限元软件ABAQUS对柱节点试件进行加载过程分析，首先进行试验荷载下静力有限元分析，将有限元结果与试验结果对比，验证了有限元方法的正确性，随后继续加载，得到了柱节点的极限承载力，最后分析了柱节点在低周反复荷载作用下的力学性能。

数值计算模型中钢管、耳板、加劲肋及内部连接板采用壳单元，混凝土采用实体单元。模型忽略钢管、连接板与混凝土之间的滑移，认为钢管层和混凝土层之间保持位移连续[1718]。钢管混凝土柱中现场浇注了C40自密实混凝土，数值仿真中混凝土的本构关系采用了混凝土损伤塑性模型[1920]。混凝土的应力-应变曲线及损伤因子采用混凝土结构设计规范中的公式计算[21]。钢管部分根据现场材质实验，本构关系采用平顶三折线模型。钢材屈服强度345 MPa，拉伸强度500 MPa。反向加载时，采用随动硬化模型，即考虑包辛格效应。

数值仿真分3种加载方案。方案一对柱节点进行简单加载，即保持各支管荷载的比例，逐步增加到试验荷载，将结果与试验结果对比，验证有限元方法的正确性。方案二在方案一的基础上继续加载，直至计算不收敛，以期得到柱节点的极限承载力。方案三对柱节点施加低周反复荷载，考查柱节点在循环荷载作用下的力学性能，加载制度如图12所示。

5结论

通过对空间网架结构钢管混凝土柱节点承载力试验和有限元分析，可得以下结论：

1）在1.6倍设计荷载作用下，钢管混凝土柱节点基本处于弹性状态，钢管内混凝土局部区域进入塑性状态。卸载后节点完好，剥开外部钢管，内部的混凝土未见破坏，钢管内混凝土工作正常。节点满足设计要求，有足够的安全储备。

2）柱节点破坏模式为单根支管（6#支管）首先形成塑性铰而使柱节点达到承载力极限状态，柱节点极限承载力约为2.74倍设计荷载，安全储备较高。

3）节点的滞回耗能曲线较为饱满，反复荷载作用下节点的耗能能力较强，节点设计合理。

4）数值仿真的计算条件较为理想，计算结果与试验结果有一定差异，进行足尺试验十分必要。数值仿真是足尺试验的有力补充，数值计算给出了柱节点的极限承载力及节点在低周反复荷载作用下滞回耗能曲线。足尺试验与数值仿真互为补充，相互印证，将二者相结合可以全面了解此类柱节点的受力特性及抗震性能。

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（编辑吕建斌）