張舒怡，歐云龍，黃 亮，曹嘉麗

（華南理工大學 土木與交通學院，廣州 510640）

斜交網格Y型轉換層節(jié)點受力性能試驗

張舒怡，歐云龍，黃 亮，曹嘉麗

（華南理工大學 土木與交通學院，廣州 510640）

為了解斜交網格中Y型轉換層節(jié)點的受力性能，筆者通過對與某實際工程相似比為1：3的2個Y型節(jié)點模型進行對稱加載和非對稱加載靜力試驗，并利用ABAQUS軟件開展對應的數值模擬分析，分析帶內隔板方鋼管混凝土柱－鋼梁剛性節(jié)點的受力和變形特征，驗證其構造的合理性。試驗結果與數值模擬一致表明：加載過程中，節(jié)點核心區(qū)變形不顯著，斜柱將先于節(jié)點區(qū)破壞，節(jié)點區(qū)將能有效傳遞斜柱內力，起到良好的聯(lián)結作用，滿足節(jié)點承載力大于構件承載力的強節(jié)點設計原則。

矩形鋼管混凝土；斜交網格；梁柱轉換層節(jié)點；ABAQUS有限元分析

在工程實踐中，鋼管混凝土結構（concrete-filled steel tubular structure，CFST）應用越來越多，它充分發(fā)揮了鋼材和混凝土兩種材料的長處，具有承載力高，塑性和韌性好，經濟效果顯著和施工方便等優(yōu)點［1］。在斜交網格筒體結構中，由于鋼管相貫節(jié)點部位是整個建筑結構體系中受力較為復雜的關鍵部位，其設計的可靠性直接關系到整個結構的安全，常需要進行加強。帶內隔板的矩形鋼管混凝土柱與鋼梁連接的節(jié)點構造已被中國《矩形鋼管混凝土結構技術規(guī)程》［2］列為推薦形式。學者對鋼管相貫混凝土節(jié)點進行了大量的試驗研究和理論分析，并對多種類型的節(jié)點提出了承載力計算經驗公式［3－5］。

矩形鋼管結構節(jié)點形式簡單，結構外形美觀，已得到日益廣泛地應用。一些學者對支、主管直接焊接的矩形鋼管結構節(jié)點的受力性能有較多的研究［6－9］。但這些研究主要是針對垂直正交節(jié)點，對多向斜交節(jié)點的相關研究報道較少。為驗證矩形鋼管混凝土斜交網格轉換節(jié)點構造的合理性及是否滿足設計承載力要求，促進該結構在工程中的應用，本文在矩形鋼管混凝土節(jié)點的橫向局部承壓試驗研究［10－12］及其他類型的節(jié)點受壓試驗研究［13－14］基礎上，進行矩形鋼管混凝土Y型節(jié)點的受壓試驗研究及內部有限元分析，以探討主管內填混凝土及橫隔對矩形鋼管節(jié)點性能的改善，研究矩形鋼管混凝土Y型節(jié)點的受壓性能。

筆者以深圳某超高層建筑（圖1）交叉網格筒體結構的基礎與首層轉換層Y型節(jié)點為研究對象，模型試驗著重分析并獲得了轉換層框支梁柱節(jié)點外部鋼管的應力狀態(tài)和塑性變形，采用ABAQUS軟件對該節(jié)點進行了仿真模擬，分析內部混凝土及橫隔板的受力變形，揭示此類節(jié)點受力機理，提出相應設計建議。

1 試驗研究

1.1 試件概況

以深圳某超高層建筑為工程背景，設計了2個試驗構件，模型比例為1∶3，本試驗選取該體系的首層轉換層節(jié)點作為研究對象，節(jié)點中中下柱為豎直柱，與梁正交，上柱為單向傾斜柱，與水平方向夾角約67°，在節(jié)點核心區(qū)內采用鋼隔板進行局部加強。

圖1 某超高層建筑實際照片

為研究該類節(jié)點受力和變形特性，對2個縮尺比例為1∶3的轉換層節(jié)點模型進行對稱加載和非對稱加載靜力試驗。試件均為矩形鋼管混凝土轉換層交叉柱節(jié)點，共匯交了3根矩形鋼管混凝土柱和2根H型鋼梁，并在交叉處采用內隔板、外加強環(huán)及加勁肋進行加強，整個節(jié)點模型左右對稱。管的整體試件制作在工廠內完成實際施工過程中相貫焊接順序，質量要求達到一級焊縫質量標準采用。為了加載的方便，在每根柱子的端部分別焊一塊剛性比較大的厚度40 mm的墊板，便于在反力架上的安裝。試件的工廠制作實際照片、模型桿件編號和截面尺寸以及模型內部加強措施分別如圖2～4所示。

圖2 轉換層節(jié)點試件實際照片

圖3 模型桿件編號及截面尺寸（單位：mm）

節(jié)點模型鋼管壁和縱向肋板厚度為20 mm，水平隔板和外加強環(huán)厚度為10 mm，豎向加勁肋和橫向肋板厚度為6 mm。鋼管柱、梁、內隔板、加勁肋均采用Q345B鋼板，材料強度如表1所示。采用強度等級為C60的商品混凝土，實驗當天實測混凝土立方體抗壓強度為70.4 MPa。

表1 節(jié)點鋼板材料強度

1.2 試驗裝置及測點布置

試驗采用能承受20 000 k N的自平衡鋼架進行加載，試驗裝置如圖5所示。采用兩套加載系統(tǒng)，每套加載系統(tǒng)包括一臺10 000 k N千斤頂及其配套液壓泵系統(tǒng)和一個10 000 k N壓力傳感器。兩套系統(tǒng)分別加載，可以模擬兩個桿件受不同大小壓力的情況。

圖5 試驗裝置

根據節(jié)點各個區(qū)域的應力分布及試驗需要，試件節(jié)點區(qū)和加載柱端共布置了48個應變花，4個應變片，7個位移計。同時考慮到自平衡架變形的影響，在自平衡架上也安置了2個位移計，位移計量程均為50 mm。

1.3 加載制度及約束條件

經過計算比較，采用圖6所示的加載方案。將梁及下柱端固定，在其余2根斜柱端加載，設計承載力為7 000 k N，所以p加至7 000 k N則停止。

圖6 轉換層節(jié)點約束條件和加載方式示意圖

加載模式包括對稱加載和非對稱加載兩種加載方法：對稱加載時，兩柱端等比例同步加載。單步加載在6 000 k N之前為每步300 k N，6 000 k N之后為每步100 k N，加載到7 000 k N，共加載30級。

非對稱加載時，兩柱端荷載按1∶2的比例同步加載，其中C1柱端力最大加載至3 500 k N，C2加載至7 000 k N，加載步長同對稱加載相似，共加載30級。

2 試驗結果及分析

2.1 轉換層節(jié)點試驗現(xiàn)象及結果

2種加載模式在加載至7 000 k N時，整個節(jié)點均未出現(xiàn)明顯凹凸變形，仍能繼續(xù)持荷加載。轉換層節(jié)點實驗現(xiàn)場照片如圖7所示。

圖7 轉換層節(jié)點試驗

2.2 節(jié)點核心區(qū)域鋼管試驗結果分析

由于節(jié)點核心區(qū)是3根鋼管混凝土柱和2根鋼梁的交匯處，并有水平隔板，受力比較復雜，因此在節(jié)點核心區(qū)域布置了若干個應變花，各測點的布置及編號如圖8所示。

圖8 節(jié)點核心區(qū)域應變花的布置及測點編號

由于節(jié)點核心區(qū)的最大應變是沿縱向的壓應變，各測點布置的應變花所測得其他2個方向的值相對于沿縱向方向的小很多，現(xiàn)主要分析各測點沿縱向的壓應變的分布情況。以應變的絕對值為縱坐標，測點的編號為橫坐標，得出節(jié)點核心區(qū)域外鋼管管壁的各級荷載下各測點的縱向應變分布圖，如圖9～12所示。

圖9 對稱荷載下節(jié)點核心區(qū)應變分布曲線

從圖9中可以看出，對稱荷載加載到6 000 k N時，節(jié)點核心區(qū)一些測點處鋼管開始屈服，達到7 000 k N時這些測點基本上全部屈服。由于材料的不均勻性與加工的誤差，加載的力越大，幾何對稱處測點的應變差別越大。非對稱加載時，同級荷載下各測點的應變均小于對稱荷載下的，較大荷載作用線附近區(qū)域的測點處應變較大。

圖10 非對稱荷載下節(jié)點核心區(qū)應變分布曲線

圖11 對稱加載節(jié)點核心區(qū)域主應力

圖12 非對稱加載節(jié)點核心區(qū)域主應力

非對稱加載下節(jié)點核心區(qū)各測點的主應力和其在對稱加載下的大小差別不大，最大主壓應力基本上沿節(jié)點軸線方向，另一方向的應力數值較小，有些測點是拉應力。

3 數值模擬與結果分析

由于試驗所測的應力只能反映外部鋼管的受力變形特征，為了驗證試驗結果的可靠性及研究節(jié)點內部混凝土及橫隔的受力變形特征，以平面Y型方鋼管節(jié)點的試驗數據為基礎，對節(jié)點進行非線性有限元建模分析，以揭示受壓節(jié)點的受力過程和塑性區(qū)擴展情況，重點考察節(jié)點核心區(qū)、內部加強板及混凝土對節(jié)點受力特點的影響。筆者利用ABAQUS通用程序，建立同時考慮幾何非線性、材料非線性等因素的有限元理論分析模型，通過合理的單元選取和網格劃分，結合試驗研究，對該轉轉換層節(jié)點模擬分析對稱荷載和非對稱荷載作用下的受力性能。

3.1 有限元模型

為方便比較，有限元分析試件選用試驗模型，不同厚度的鋼管及混凝土的屈服強度取材性試驗結果。鋼材的彈塑性本構模型采用ABAQUS自帶的等向彈塑性模型，滿足Von Mises屈服準則，其應力應變關系采用采用三折線模型加以模擬。管內混凝土本構關系選取文獻［7］提出的混凝土偏壓偏拉本構關系曲線，采用ABAQUS混凝土塑性損傷模型［15］。針對底部轉換節(jié)點試驗模型的特點，遠離節(jié)點核心區(qū)的梁、柱及管內混凝土選用8結點6面體規(guī)則單元，形狀復雜的節(jié)點內隔板等選用10結點4面體單元?；炷僚c鋼管之間采用tie約束，內隔板嵌入混凝土（embedded）內部，以保證鋼管與混凝土共同受力［16］。

轉換層節(jié)點模型的有限元網格劃分結果如圖13所示。

圖13 有限元模型網格劃分

3.2 有限元計算分析及圖形結果

3.2.1 對稱加載有限元分析圖形結果 計算求得節(jié)點對稱加載在兩柱端均加至7 000 k N荷載下的Mises應力云圖（單位：MPa）和節(jié)點位移云圖（單位：mm），如圖14所示。

圖14 對稱荷載下有限元分析結果

從以上應力和變形的圖形結果可了解到轉換層節(jié)點對稱加載模式下，兩加載端均加載至7 000 k N時，整個節(jié)點的應力最大處集中在加載區(qū)域，內部水平隔板在加載端承受很大的力，大大減小了內部混凝土端部的應力。外鋼管和內隔板在節(jié)點核心區(qū)的應力相對較小，內部混凝土在節(jié)點核心區(qū)的轉角處出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。兩上柱（C1、C2）加載端部及柱根部局部屈服，整個節(jié)點并未達到其屈服承載力，仍能繼續(xù)加載。節(jié)點的變形集中在加載區(qū)域，由于隔板和鋼梁的約束作用，節(jié)點核心區(qū)的變形很小。

3.2.2 非對稱加載的有限元分析圖形結果 計算求得節(jié)點非對稱加載在C2柱端加至7 000 k N（C1柱相應的荷載為3 500 k N）荷載下的Mises應力云圖（單位：MPa）和節(jié)點位移云圖（單位：mm），如圖15所示。

從以上應力和變形的圖形結果可以看出，轉換層節(jié)點對稱加載下，C2柱端加至7 000 k N（C1柱相應的荷載載為3 500 k N）時，整個節(jié)點的應力最大處集中在7 000 k N加載端區(qū)域，內部水平隔板在加載端承受很大的力，大大減小了加載端內部混凝土的應力。在7 000 k N的作用線附近外鋼管應力較大，混凝土和內隔板在節(jié)點核心區(qū)的應力相對較小，內部混凝土在節(jié)點核心區(qū)的轉角處出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。C2加載力作用線附近區(qū)域的外鋼板、內隔板及混凝土均出現(xiàn)局部屈服。整個節(jié)點并未屈服，仍能繼續(xù)加載。節(jié)點的變形集中在7 000 k N加載區(qū)域，由于力的傳遞作用，節(jié)點核心區(qū)在3 500 k N加載側的變形相對另一側的變形稍大。整個節(jié)點由于不對稱受力，兩斜柱夾角位移較大，出現(xiàn)了一定的扭轉。

4 計算結果與試驗結果對比

4.1 試驗等效應力數據與計算值對比

試驗和計算均表明，節(jié)點的延性較好，安全儲備較高。由于數據很多，本小節(jié)主要列出彈性范圍的各主要測點的Mises應力的試驗值與計算值的對比情況。從圖15可以看出計算值與試驗值基本吻合。

圖15 非對稱荷載下有限元分析結果

4.1.1 對稱加載的Mises應力及與計算值對比 從圖16～18可看出，對稱加載下，兩柱端的Mises應力隨荷載的增加在計算值上下波動，其中C2柱端應力在加載前期偏低較多。同樣荷載下，兩上柱夾角測點實測應力在加載中后期較計算值偏小，而加點核心區(qū)處測點實測的應力偏大，這是由于ABAQUS分析時采用的模型絕對對稱，是在沒有考慮加工誤差和材料不均勻性的理想狀態(tài)下進行的。實驗模型柱端加載板是在混凝土澆筑完成后焊接上去的，由于施工及混凝土的收縮硬化，加載板與內部混凝土會有一個難以估計的空隙，這就造成加載前期柱端處的混凝土對承壓貢獻不大，而隨著外部荷載的增大，混凝土所承載壓力的比例也就越大。

圖16 兩上柱端測點實測應力與理論應力對比

圖17 兩上柱夾角測點實測應力與理論應力對比

圖18 節(jié)點核心5號測點實測應力與理論應力對比

4.1.2 非對稱加載Mises應力及與計算值對比 從圖19～23可看出，非對稱荷載下，同荷載下試驗所測的應力值較計算值稍大，尤其是較小力加載柱的根部。由于加載至最大荷載時節(jié)點整體仍處于彈性受力階段，兩加載端部處測點的應力與其荷載的比例基本上一致，較大力加載柱的根部應力很大。

圖19 C1柱端測點實測應力與理論應力對比

圖20 C2柱端測點實測應力與理論應力對比

圖21 兩上柱夾角C1柱上測點實測應力與理論應力比較

圖22 兩上柱夾角C2柱上測點實測應力與理論應力比較

圖23 節(jié)點核心區(qū)5號測點實測應力與理論應力比較

4.2 試驗位移數據與計算值比較

節(jié)點試驗主要考察加載柱端軸向位移，柱端位移實測值是兩柱端位移計的實測值與下柱鋼板處位移計所測得的剛體位移之差。節(jié)點對稱加載的實測位移曲線及與計算值的比較如圖24所示。從圖中可以看出兩柱端位移隨荷載的變化不一致，且與計算值均有一定偏差。從圖中看出，節(jié)點在達到設計荷載受力到7 000 k N時仍沒屈沒有屈服，柱端最大位移是1.42 mm。

節(jié)點非對稱加載的實測位移曲線及與計算值的比較如圖25～26所示。從圖中看出，節(jié)點在兩柱端受力分別到7 000 k N和3 500 k N時仍沒屈服，此時加載端的位移分別為1.1 mm和0.6 mm，均大于其相應的計算值，這是由于試驗模型的加載板是在澆筑混凝土后才焊上去的，與內部混凝土之間可能存在空隙。

5 結 論

圖24 對稱加載兩柱端軸向位移

圖25 非對稱加載C1柱端軸向位移

圖26 非對稱加載C2柱端軸向位移

通過試件靜力荷載試驗和有限元分析，研究了轉換層Y型節(jié)點在對稱加載和非對稱加載情況下的力學性能，得到了如下主要結論：

1）轉換層節(jié)點模型試驗測出的Von Mises等效應力和位移 荷載曲線與有限元分析結果吻合良好，運用有限元方法分析鋼管混凝土節(jié)點的結果是真實可信、能應用于實際工程的，該分析方法分析Y型節(jié)點具有一定的可靠性；

2）轉換層節(jié)點模型試驗兩個試件最終均沒破壞。最大荷載達到7 000 k N時，轉換層節(jié)點柱端大面積屈服，而節(jié)點核心區(qū)基本處于彈性階段，節(jié)點的延性較好，受力比較合理，使用該節(jié)點具有一定的可靠性和實用性；

3）節(jié)點域內隔板的受力性能良好，內隔板及周邊的焊縫完好，未見屈服跡象，滿足設計承載力的要求，也可以達到“強節(jié)點弱桿件”的抗震設計目的；

4）有限元分析結果顯示，梁柱連接處內部混凝圖的應力集中現(xiàn)象嚴重，若采用圓角的連接構造方式，可有效改善內部混凝土的受力性能。

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（編輯 鄭 潔）

Experimental Study on Mechanical Behavior of Y-Shaped Transfer Joint Used in Obliquely Crossing Lattice

Zhang Shuyi，Ou Yunlong，Huang Liang，Cao Jiali
（School of Civil Engineering and Transportation，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

In order to study the mechanical behavior of the Y-shaped joints in oblique crossing lattice，two 1：3 scale models of the Y-shaped joints which are respectively applied symmetrical and asymmetrical axial force in experiment processes are tested，and the corresponding numerical simulations are carried out by using ABAQUS software.The stress state and deformation behavior of concrete-filled square tube column and steel beam rigid joint with internal diaphragms for high-rise structure are analyzed.The results of the test and the numerical simulation consistently show that in the loading process，the deflection of the joint core is insignificant and a good connection，the joint core is able to deliver the internal force effectively before the damage of the oblique column and meet the requirement of“strong joint and weak column”.

concrete filled steel tube（CFST）；obliquely crossing lattice；transfer joint；ABAQUS finite element analysis

TU973. 17；TU317.1

A

1674-4764（2013）S2-0114-07

10.11835／j.issn.1674-4764.2013.S2.030

2013-09-30

張舒怡（1989-），女，華南理工大學在校研究生，主要從事結構工程研究，（E-mail）shuyi-89＠163.com。

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