童樂為,王 柯,2,史煒洲,3,陳以一

(1.同濟(jì)大學(xué) 建筑工程系,上海200092;2.香港大學(xué)土木工程系,香港;3.上海建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海200041)

圓管桁架具有優(yōu)良的結(jié)構(gòu)性能和柔和明快的外觀,在國(guó)內(nèi)外的土木、建筑、海洋、機(jī)械等結(jié)構(gòu)中得到普遍應(yīng)用.在圓管桁架的主管里填充混凝土是一種新型的鋼-混組合結(jié)構(gòu),可顯著提高圓管桁架整體的承載能力.近年來(lái)我國(guó)已越來(lái)越多地將其應(yīng)用于大跨度桁式拱橋,包括跨度為460 m的巫峽長(zhǎng)江公路大橋[1].除此之外,類似這種形式的組合結(jié)構(gòu)也已在海洋固定平臺(tái)結(jié)構(gòu)、高聳結(jié)構(gòu)中應(yīng)用.最近正在建造的610m廣州新電視塔采用了圓管混凝土柱,斜撐、水平環(huán)梁采用圓管,并與圓管混凝土柱直接焊接[2].另外,僅在節(jié)點(diǎn)區(qū)域的主管內(nèi)填充混凝土,也可作為加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)剛度、強(qiáng)度的措施.

通常在圓管桁架的桿件交匯處將支管直接焊接到主管上,形成所謂的相貫節(jié)點(diǎn).由于在節(jié)點(diǎn)處焊接了多根桿件,使得節(jié)點(diǎn)空間幾何形狀發(fā)生變化,剛度分布不均,應(yīng)力集中,受力性能復(fù)雜,因此節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度是圓管桁架設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問題.近20多年來(lái),關(guān)于節(jié)點(diǎn)靜力強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度,國(guó)內(nèi)外都取得了豐碩的研究成果,針對(duì)一些常用的節(jié)點(diǎn)型式提出了強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法和計(jì)算公式.國(guó)際鋼管結(jié)構(gòu)發(fā)展與研究委員會(huì)(CIDECT)還出版了一系列技術(shù)指南[3].其中,針對(duì)鋼管節(jié)點(diǎn)疲勞設(shè)計(jì),提出了基于熱點(diǎn)應(yīng)力概念的評(píng)估準(zhǔn)則,包括獲得熱點(diǎn)應(yīng)力的方法和一些節(jié)點(diǎn)型式的應(yīng)力集中系數(shù)的計(jì)算公式.

關(guān)于主管內(nèi)填充混凝土的鋼管焊接節(jié)點(diǎn)的靜力性能,我國(guó)學(xué)者周緒紅[4]和日本學(xué)者Y.Sakai[5]等進(jìn)行了一系列研究,分析了節(jié)點(diǎn)的破壞模式和機(jī)理.但對(duì)鋼管混凝土焊接節(jié)點(diǎn)疲勞性能,目前還缺乏了解.掌握節(jié)點(diǎn)疲勞性能及疲勞強(qiáng)度首先要了解節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布特性.本文以最基本的T型節(jié)點(diǎn)為對(duì)象,沿襲應(yīng)用空心圓管焊接節(jié)點(diǎn)熱點(diǎn)應(yīng)力的基本理論和方法,試驗(yàn)研究圓管支管-圓管混凝土主管焊接節(jié)點(diǎn)分別在支管軸力和平面彎矩作用下的熱點(diǎn)應(yīng)力及其應(yīng)力集中系數(shù).

1 試驗(yàn)方案

1.1 節(jié)點(diǎn)試件設(shè)計(jì)

圖1為所設(shè)計(jì)的T型節(jié)點(diǎn)試件,支管為圓管,主管為圓管混凝土,稱為圓管混凝土(concrete filled circular ho llow section,CFCHS)節(jié)點(diǎn) ,共 10 個(gè).為了直接比較有混凝土與無(wú)混凝土的差異,補(bǔ)充了圓管(circular hollow section,CHS)節(jié)點(diǎn)試件.表1列出了所有節(jié)點(diǎn)試件的幾何參數(shù),圓管材料均為Q345B.為避免節(jié)點(diǎn)區(qū)域受支管加載端及主管兩端支座的影響,支管和主管長(zhǎng)度分別設(shè)計(jì)成各自管徑的3倍和6倍.圓管混凝土節(jié)點(diǎn)考慮了不同的幾何參數(shù)β,γ,τ以及混凝土標(biāo)號(hào)的影響,可做直觀的比較.圓管節(jié)點(diǎn) CHS幾何參數(shù)與圓管混凝土節(jié)點(diǎn)CFCHS-1,CFCHS-6,CFCHS-7一致.支管與主管的連接按照有關(guān)規(guī)程采用全熔透坡口對(duì)接焊縫[6].主管一端封閉,另一端澆灌混凝土后用端板封閉,混凝土按照常規(guī)施工方式進(jìn)行澆搗.

試件在主管兩端簡(jiǎn)支,試驗(yàn)時(shí)通過豎向和水平千斤頂對(duì)支管端部施加3種荷載工況,分別是軸向壓力、拉力和平面彎矩.依據(jù)事先估算,加載時(shí)控制鋼管和混凝土工作在彈性范圍.

圖1 節(jié)點(diǎn)試件及加載裝置Fig.1 Specim en and loading equ ipm ent

表1 試件幾何尺寸Tab.1 Specimen sizes

1.2 節(jié)點(diǎn)熱點(diǎn)應(yīng)力測(cè)試方法

管結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的應(yīng)力在節(jié)點(diǎn)處因應(yīng)力集中效應(yīng)而增大,成為所謂的熱點(diǎn)應(yīng)力(hot spot stress).國(guó)際上定義管節(jié)點(diǎn)的熱點(diǎn)應(yīng)力為由節(jié)點(diǎn)幾何形狀引起的,在焊趾位置的最大幾何應(yīng)力,排除由于施焊不確定因素(焊縫幾何形狀和缺陷等)而引起的應(yīng)力局部增加.以相貫焊縫為界,兩側(cè)均有支管的熱點(diǎn)應(yīng)力和主管的熱點(diǎn)應(yīng)力.為了排除焊縫的影響,CIDECT指南提出了有關(guān)圓管節(jié)點(diǎn)獲得熱點(diǎn)應(yīng)力的外推方法及其外推區(qū)域(圖2)[3].以往研究表明,圓管節(jié)點(diǎn)在相貫線的冠點(diǎn)或者鞍點(diǎn)處,熱點(diǎn)應(yīng)力較大.本文按照CIDECT指南的規(guī)則,在主管、支管的這些鞍點(diǎn)(圖3中的 90°,270°位置)、冠點(diǎn)(圖 3中的 0°,180°位置)布置了外推測(cè)量線,即主管上的G1～G4和支管上的G5～G8.另外,為了考察填充了混凝土后是否在冠點(diǎn)與鞍點(diǎn)之間還存在較大的熱點(diǎn)應(yīng)力,CFCHS-1和CFCHS-2兩個(gè)試件在G1與G2之間、G5與G6之間也分別等間距地(每隔22.5°)布置了3條外推測(cè)量線.每條外推線,實(shí)際上是一個(gè)特制的單向應(yīng)變片串,由間隔2mm并在同一軸線上互相平行的4個(gè)應(yīng)變片組成,可測(cè)量應(yīng)力的梯度變化,并外推得到主管、支管在焊趾處的熱點(diǎn)應(yīng)力.CIDECT指南指出,對(duì)于圓鋼管節(jié)點(diǎn)可將試驗(yàn)中測(cè)得的應(yīng)變乘上系數(shù)1.2轉(zhuǎn)換為應(yīng)力[3],本文采用同樣方法將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為應(yīng)力.

圖2 圓管節(jié)點(diǎn)的熱點(diǎn)應(yīng)力外推方法Fig.2 Extrapolation method for hot spot stress

圖3 試件外推測(cè)量線布置Fig.3 Layout of extrapolation m easurem ent lines

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用應(yīng)力集中系數(shù) SCF(stress concentration factor,為熱點(diǎn)應(yīng)力σhs/支管名義應(yīng)力σn),易于反映節(jié)點(diǎn)處不均勻分布的熱點(diǎn)應(yīng)力特性以及應(yīng)力集中程度,便于設(shè)計(jì)應(yīng)用.因此,本文的熱點(diǎn)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果都用SCF來(lái)體現(xiàn).

2.1 熱點(diǎn)應(yīng)力不同外推方法的結(jié)果比較

CIDECT指南提出的熱點(diǎn)應(yīng)力外推方法有一次(線性)外推和二次(非線性)外推兩種.通常認(rèn)為兩種外推結(jié)果的差別在15%以內(nèi),可采用一次外推,否則,非線性程度較高,應(yīng)采用二次外推.以往的研究表明,圓管節(jié)點(diǎn)適用一次外推的方法,而方管節(jié)點(diǎn)在菱角處由于應(yīng)力集中程度高,需采用二次外推的方法[3,7].圖4為所有圓管混凝土節(jié)點(diǎn)CFCHS在支管拉、壓、彎3種受力狀況下采用兩種外推方法測(cè)得的熱點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)SCF,比較發(fā)現(xiàn)在主管和支管上,二次外推的SCF比一次外推的分別大6%和25%.這說(shuō)明就本文研究的圓管混凝土節(jié)點(diǎn)而言,主管可采用一次外推,而支管需采用二次外推.為此,文后所涉及的SCF值,都是來(lái)源于這樣的外推處理.

圖4 一次與二次外推的SCF結(jié)果比較Fig.4 SCF com parison betw een linear and quadratic extrapolation

2.2 節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)SCF分布特性

鋼管節(jié)點(diǎn)CHS在主管填充混凝土形成鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)CFCHS后,節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)SCF在某些方面維持原有特性,在某些方面發(fā)生了變化.圖5～8分別為CHS,CFCHS-1,CFCHS-4和CFCHS-10節(jié)點(diǎn)在軸向受力和平面受彎工況下,沿相貫線在主管側(cè)和支管側(cè)的SCF分布圖.圖中:公式表示來(lái)源于CIDECT指南有關(guān)鋼管T型節(jié)點(diǎn)SCF公式的計(jì)算值;試驗(yàn)表示來(lái)源于本文的試驗(yàn)值;Com表示受壓;Ten表示受拉.圖5～8中橫坐標(biāo)的角度位置參見圖3,360°位置的SCF即為0°位置的重復(fù).

2.2.1 鋼管節(jié)點(diǎn)CHS

由圖5可見,就試驗(yàn)的鋼管節(jié)點(diǎn)而言,無(wú)論是軸向受力還是平面受彎,CIDECT指南的鋼管T型節(jié)點(diǎn)SCF公式計(jì)算值總體上比試驗(yàn)值大些,能較好地預(yù)測(cè)鋼管節(jié)點(diǎn)在主管側(cè)和支管側(cè)的應(yīng)力集中系數(shù)及其變化.SCF值受軸力時(shí)大,受平面彎矩時(shí)小;相同受力條件下在主管上大,支管上小.軸向受力時(shí)受拉與受壓相比,受彎時(shí)受拉側(cè)(圖3中的0°)與受壓側(cè)(圖3中的180°)相比,并沒有反映出SCF在拉、壓上的顯著差別,因此CIDECT指南的SCF計(jì)算公式并不區(qū)分拉與壓的受力條件.受彎工況時(shí),SCF在冠點(diǎn)處(即0°或180°,此處遠(yuǎn)離中和軸)達(dá)到最大;軸向受力時(shí),SCF在鞍點(diǎn)(即90°或270°)達(dá)到最大.

2.2.2 鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)CFCHS

限于篇幅,本文僅給 CFCHS-1,CFCHS-4,CFCHS-10這3個(gè)有代表性節(jié)點(diǎn)的SCF分布,見圖6～8.相比鋼管節(jié)點(diǎn),絕大多數(shù)鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)的SCF減小,沿相貫線分布趨于均勻,尤其在軸向受力的工況下表現(xiàn)得格外突出(作為比較,圖中SCF公式計(jì)算曲線是把鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)視作無(wú)混凝土的鋼管節(jié)點(diǎn)而得到的).只有極少數(shù)鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)的SCF比鋼管節(jié)點(diǎn)略微大些或者接近(如圖8a).

圖5 CHS沿節(jié)點(diǎn)相貫線的SCF分布Fig.5 SCF distribution s along CHS join t

圖6 CFCHS 1沿節(jié)點(diǎn)相貫線的SCF分布Fig.6 SCF distributions along CFCHS 1 joint

在軸力工況下,SCF分布中最大值位置與鋼管節(jié)點(diǎn)有所不同,通常出現(xiàn)在冠點(diǎn)(即0°或 180°);主管上的SCF比支管上大.以每個(gè)試件中最大的SCF值為對(duì)象,測(cè)得鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)的SCF在 2.72～12.50之間,而當(dāng)它們?yōu)殇摴芄?jié)點(diǎn)時(shí),計(jì)算的SCF在8.14～15.28之間.軸拉的 SCF明顯比軸壓大,前者比后者大12%～72%.

在彎矩工況下,SCF分布中最大值位置仍與鋼管節(jié)點(diǎn)相同,出現(xiàn)在遠(yuǎn)離中和軸的冠點(diǎn)位置(即0°或180°);主管上的SCF與支管上的接近.以每個(gè)試件中最大的SCF值為對(duì)象,測(cè)得鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)的SCF在1.27～3.19之間,而當(dāng)它們?yōu)殇摴芄?jié)點(diǎn)時(shí),計(jì)算的SCF在2.80～4.40之間.與軸向受力不同,彎矩受拉側(cè)的SCF沒有反映出總是比受壓側(cè)大的現(xiàn)象.

節(jié)點(diǎn)的熱點(diǎn)應(yīng)力及其SCF分布與節(jié)點(diǎn)的剛度分布密切相關(guān),主管內(nèi)填充混凝土后改變了原鋼管節(jié)點(diǎn)的剛度分布,因此CFCHS節(jié)點(diǎn)與CHS節(jié)點(diǎn)在SCF最大值位置和數(shù)值上有所差異.由于混凝土使節(jié)點(diǎn)剛度趨于均勻,故CFCHS節(jié)點(diǎn)比CHS節(jié)點(diǎn)總體上具有更低的應(yīng)力集中系數(shù).

圖7 CFCHS 4沿節(jié)點(diǎn)相貫線的SCF分布Fig.7 SCF distributions along CFCHS 4 joint

圖6和圖8的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反映在鞍點(diǎn)(270°)～冠點(diǎn)(360°)范圍內(nèi)(參見圖3),雖然有可能存在比鞍點(diǎn)的或冠點(diǎn)的SCF大的點(diǎn),但是大多數(shù)還是鞍點(diǎn)或冠點(diǎn)的SCF大.因此,為便于測(cè)試以及疲勞評(píng)估,鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)還是可像鋼管節(jié)點(diǎn)那樣僅關(guān)注鞍點(diǎn)或冠點(diǎn)的熱點(diǎn)應(yīng)力.

圖8 CFCHS 10沿節(jié)點(diǎn)相貫線的SCF分布Fig.8 SCF distribu tions along CFCHS 10 join t

支管軸向受拉的SCF大于受壓的SCF現(xiàn)象,其機(jī)理在于受拉時(shí)主管管壁與內(nèi)填的混凝土有脫開的趨勢(shì)(圖9),使得管壁局部變形和應(yīng)力增大.然而,在支管受彎時(shí),由于受拉側(cè)區(qū)域較小,同時(shí)試驗(yàn)時(shí)彎矩作用不大,致使受拉側(cè)SCF未表現(xiàn)出總是大于受壓側(cè)的現(xiàn)象.

圖9 CFCHS節(jié)點(diǎn)的變形特點(diǎn)Fig.9 Deformation feature o f CFCHS joint

圖10和圖11分別為在支管軸力和彎矩作用下,幾何參數(shù)β,τ,γ和混凝土強(qiáng)度標(biāo)號(hào)對(duì)鋼管混凝土主管(圖 10涉及鞍點(diǎn)和冠點(diǎn),圖 11僅為冠點(diǎn))的 SCF影響效應(yīng).考察 β,τ,γ和混凝土標(biāo)號(hào)這4個(gè)參數(shù)的影響,都是在其中3個(gè)參數(shù)不變、另1個(gè)參數(shù)獨(dú)立變化的情況下進(jìn)行的.由圖可見,雖然鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)主管上的SCF絕大多數(shù)都顯著地小于鋼管節(jié)點(diǎn)主管上的SCF(圖中鋼管節(jié)點(diǎn)的SCF是按無(wú)混凝土鋼管節(jié)點(diǎn)SCF計(jì)算公式得到),SCF受幾何參數(shù)影響的變化規(guī)律與鋼管節(jié)點(diǎn)基本一致.混凝土強(qiáng)度標(biāo)號(hào)的變化對(duì)SCF影響不顯著可不予考慮.

圖10 受軸力時(shí)幾何參數(shù)和混凝土對(duì)主管的SCF影響Fig.10 Effect of geom etric param eters and concrete on SCF un der axia l loading

由于篇幅限制,本文未給出在支管軸力和彎矩作用下,幾何參數(shù) β,τ,γ對(duì)鋼管混凝土支管上 SCF的影響效應(yīng)圖,但是,從測(cè)試的數(shù)據(jù)看,沒有呈現(xiàn)出與鋼管節(jié)點(diǎn)類似的變化規(guī)律.

圖11 受彎矩時(shí)幾何參數(shù)和混凝土對(duì)主管冠點(diǎn)的SCF影響Fig.11 Effect of geom etric param eters and concrete on SCF under bending

3 結(jié)論

根據(jù)有關(guān)主管內(nèi)填充混凝土的圓鋼管混凝土T型焊接節(jié)點(diǎn)在支管軸拉、軸壓、平面彎矩作用下的熱點(diǎn)應(yīng)力試驗(yàn),可得到以下結(jié)論:

(1)圓鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)可參照?qǐng)A鋼管節(jié)點(diǎn)熱點(diǎn)應(yīng)力外推方法獲得熱點(diǎn)應(yīng)力,對(duì)主管上的熱點(diǎn)應(yīng)力可采用線性的一次外推,對(duì)支管上的熱點(diǎn)應(yīng)力需采用非線性的二次外推.

(2)圓鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)仍像圓鋼管節(jié)點(diǎn)那樣,鞍點(diǎn)或冠點(diǎn)位置的熱點(diǎn)應(yīng)力比鞍點(diǎn)與冠點(diǎn)之間的熱點(diǎn)應(yīng)力大,鞍點(diǎn)、冠點(diǎn)是圓鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)疲勞評(píng)估時(shí)的關(guān)鍵位置.

(3)圓鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)的熱點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)SCF比相同幾何參數(shù)的圓鋼管節(jié)點(diǎn)的SCF顯著減小,熱點(diǎn)應(yīng)力分布變得均勻一些,這些特點(diǎn)在支管受軸力工況下尤其突出.

(4)在支管受軸力工況下,通常在圓鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)處主管的SCF比支管的SCF大;最大熱點(diǎn)應(yīng)力位置在冠點(diǎn),然而,相同幾何參數(shù)的圓鋼管節(jié)點(diǎn)最大熱點(diǎn)應(yīng)力位置在鞍點(diǎn).在支管受彎矩工況下,圓鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)主管的SCF與支管的SCF大小接近;最大熱點(diǎn)應(yīng)力位置與相同幾何參數(shù)的圓鋼管節(jié)點(diǎn)一樣,發(fā)生在冠點(diǎn).

(5)圓鋼管混凝土節(jié)點(diǎn),支管軸拉較軸壓更為不利,SCF明顯比支管軸壓時(shí)大.此現(xiàn)象歸結(jié)為受拉時(shí)主管管壁與混凝土有脫開的趨勢(shì),主管變形增大,傳力不均.但是,在支管平面受彎時(shí),受拉側(cè)SCF未必總是比受壓側(cè)大,可能是受拉側(cè)區(qū)域偏小.

(6)量綱為一幾何參數(shù)對(duì)圓鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)在主管上的SCF影響效應(yīng)與圓鋼管節(jié)點(diǎn)基本一致.

(7)主管內(nèi)填充的混凝土,其自身強(qiáng)度標(biāo)號(hào)的高低變化沒有顯著地影響圓鋼管節(jié)點(diǎn)的SCF.混凝土的作用主要是顯著地改善了圓鋼管在節(jié)點(diǎn)處的剛度分布,從而有效地降低了應(yīng)力集中系數(shù),這樣的效應(yīng)必然有助于提高圓鋼管節(jié)點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度.

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