焦晉峰，馬 霄，雷宏剛（太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，太原030024）

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＊空間多支管復(fù)雜相貫節(jié)點(diǎn)靜力足尺試驗(yàn)研究

焦晉峰，馬 霄，雷宏剛
（太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，太原030024）

摘 要：對兩個(gè)多向軸向加載的空間多支管復(fù)雜方圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了靜力足尺試驗(yàn)研究。試驗(yàn)表明：同一類節(jié)點(diǎn)2個(gè)試件桿件制作誤差差異較大，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)加載能力差別較大；對方圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)，支管桿件截面型式的差異導(dǎo)致圓管與方形截面主管交匯區(qū)域首先出現(xiàn)屈服；合理的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造措施有利于保證節(jié)點(diǎn)安全。計(jì)算表明：兩個(gè)節(jié)點(diǎn)試件的試驗(yàn)值與有限元計(jì)算結(jié)果存在一定的差異，主要原因在于實(shí)際支座約束和理想模擬支座區(qū)別、加荷不對中、節(jié)點(diǎn)焊縫和焊縫缺陷和節(jié)點(diǎn)桿件空間加荷不同步性等因素。研究表明：對該類空間多支管復(fù)雜相貫節(jié)點(diǎn)，支管截面型式和軸力對節(jié)點(diǎn)承載力影響較大，有待進(jìn)一步深入研究。

關(guān)鍵詞：管結(jié)構(gòu)；空間相貫節(jié)點(diǎn)；足尺試驗(yàn)；有限元數(shù)值模擬；靜力性能

近年來，鋼管結(jié)構(gòu)因其良好的建筑效果和力學(xué)性能等，在我國得到迅猛發(fā)展。特別是在火車站、體育場和航站樓等建筑中，空間多支管復(fù)雜方圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。其中已投入使用的太原火車南站候車大廳就采用了該類節(jié)點(diǎn)形式。

目前，針對鋼管相貫節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)，國內(nèi)外開展了廣泛的研究［1－10］。就試驗(yàn)研究現(xiàn)狀，其主要具有以下幾方面特點(diǎn)：對平面型鋼管相貫節(jié)點(diǎn)的受力性能研究較多，對空間型鋼管相貫節(jié)點(diǎn)性能的研究較少；節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)單向或兩向軸向加載居多，空間多向同時(shí)軸向加載偏少；節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)以縮尺比例較多，縮尺比例常見為1∶6～1∶2，足尺節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究較少；小尺寸相貫節(jié)點(diǎn)研究比較充分，大尺寸鋼管相貫節(jié)點(diǎn)研究較少；節(jié)點(diǎn)桿件加荷載荷偏小為主，載荷偏大較少。而實(shí)際工程中空間鋼管相貫節(jié)點(diǎn)，鑒于國家規(guī)范［11］無明確條文規(guī)定且避免節(jié)點(diǎn)尺寸效應(yīng)，有必要針對大尺寸相貫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行足尺試驗(yàn)研究。

筆者對2個(gè)空間多支管復(fù)雜方圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了足尺靜力試驗(yàn)研究，得到了節(jié)點(diǎn)試件在空間多向同時(shí)加荷作用下桿件的應(yīng)力分布規(guī)律，并與有限元數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比。

1　試驗(yàn)概況

1．1 節(jié)點(diǎn)試件

太原南站屋蓋結(jié)構(gòu)由平面投影尺寸為36m× 42．8m的傘狀結(jié)構(gòu)單元組合而成。屋蓋單元的主要受力結(jié)構(gòu)由兩榀變截面主桁架與X型鋼柱（見圖1）構(gòu)成，桁架方向與X型鋼柱的肢方向相同。主桁架下弦與X型柱剛接連接，次桁架與主桁架相連構(gòu)成相互支撐的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體系，在桁架上、下弦平面內(nèi)設(shè)置鋼次梁以支承屋面板及吊頂（兼作鋼桁架的側(cè)向支撐）。

圖1　屋面?zhèn)阈武摻Y(jié)構(gòu)空間桁架（施工中）

試驗(yàn)研究目的包括：1）通過節(jié)點(diǎn)空間多向同時(shí)靜力加荷試驗(yàn)，驗(yàn)證在1．0倍和1．3倍設(shè)計(jì)載荷作用下，節(jié)點(diǎn)試件各桿件應(yīng)力分布規(guī)律，據(jù)此對工程節(jié)點(diǎn)進(jìn)行安全性評價(jià)；2）針對試驗(yàn)過程和試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行研究，構(gòu)建加載過程中荷載與應(yīng)力的關(guān)系，同時(shí)采用有限元方法對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值模擬，對節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行力學(xué)解釋。試驗(yàn)選取屋蓋結(jié)構(gòu)典型下弦受壓空間相貫節(jié)點(diǎn)（見圖2）進(jìn)行靜力單調(diào)加載足尺試驗(yàn)，試件幾何參數(shù)見表1。

圖2　joint－8試件平面位置示意圖

mm

表1　joint－8試件幾何參數(shù)

節(jié)點(diǎn)試件（見圖3）各桿件長度取桿件寬度或直徑的3倍，以避免桿件端部約束對節(jié)點(diǎn)區(qū)受力的影響。

圖3　節(jié)點(diǎn)模型及桿件編號示意圖

1．2 試驗(yàn)設(shè)備

本文中joint－8試件的工程驗(yàn)證承載力設(shè)計(jì)值見表2。為確保節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)的目的，考察節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)過程中節(jié)點(diǎn)各桿件應(yīng)力分布特點(diǎn)，加載框應(yīng)具有足夠的剛度，能保證在加載過程中不發(fā)生較大的變形從而對試件造成過大的附加應(yīng)力。本次試驗(yàn)采用如圖4所示的自平衡反力加載框架。該加荷架為一空間框架，由水平放置且封閉的四根框架地梁、垂直的一榀剛架和與水平地面成一定夾角的斜向剛架三部分組成。各部分之間采用承壓型高強(qiáng)度螺栓連接。為了便于試驗(yàn)，加荷框架與地面保持一定距離，做到加荷框架與節(jié)點(diǎn)試件盡量保持對中。

表2　joint－8試件驗(yàn)證載荷設(shè)計(jì)值　kN

圖4　節(jié)點(diǎn)試件加載框

為達(dá)到本次節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)?zāi)康?，加荷設(shè)備采用10臺(tái)大噸位的油壓千斤頂，具體為2臺(tái)QF700T－20、1臺(tái)QF320T－20、3臺(tái)QF200T－20和4臺(tái)QF100T－20四種規(guī)格的油壓千斤頂；應(yīng)變計(jì)采用三向應(yīng)變計(jì)（BE120－3CA）和單向應(yīng)變計(jì)（BX120－5AA）；位移測量計(jì)采用一維位移傳感器（DT100和DT40）；百分表量程為0～50mm，精度0．01mm。

本文試驗(yàn)的空間相貫節(jié)點(diǎn)鋼材材質(zhì)為Q345C 和Q235C，鑒于實(shí)際情況等，并未對節(jié)點(diǎn)材質(zhì)進(jìn)行材性試驗(yàn)，故其屈服強(qiáng)度均取名義屈服強(qiáng)度，材料的彈性模量E＝2．06×105MPa，泊松比μ＝0．3。

1．3 加載過程和測試內(nèi)容

節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)中，通過10臺(tái)油壓千斤頂同時(shí)對桿件1～桿件9實(shí)施軸向加載，使得支管（桿件2）受拉，主管和其余支管均受壓。根據(jù)節(jié)點(diǎn)試件的設(shè)計(jì)承載力進(jìn)行分級加荷。試驗(yàn)前，為了校驗(yàn)測試儀器調(diào)零和檢查應(yīng)變片、荷載傳感器、位移計(jì)及其他儀器是否正常工作，同時(shí)為減緩試件中的裝配應(yīng)力，預(yù)載階段反復(fù)2～3次，預(yù)加載力為試件設(shè)計(jì)荷載的20%。正式加載分級進(jìn)行，每級荷載大小約為試件驗(yàn)證設(shè)計(jì)承載力的5%，每級持荷不少于5min。加載過程中對所有的位移與應(yīng)變測點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。試驗(yàn)加載制度分級見表3。

為保證試驗(yàn)加載過程中節(jié)點(diǎn)各個(gè)桿件測試數(shù)據(jù)的正確性和有效性，并反算節(jié)點(diǎn)在載荷作用下各個(gè)

表3　joint－8加載制度kN

桿件的內(nèi)力分布，考察各個(gè)桿件附加平面內(nèi)、外彎矩的影響，在節(jié)點(diǎn)支管（圓管）中部每隔180°布置一個(gè)單向應(yīng)變片，主管和其他支管（箱型截面）每一側(cè)邊中央布置一個(gè)單向應(yīng)變片，如圖5所示。為考察節(jié)點(diǎn)主管與各個(gè)支管交匯處的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，在桿件交匯處主管管壁上圍繞支管周圍布置三向應(yīng)變片，如圖5所示。在節(jié)點(diǎn)各個(gè)桿件軸力作用下，主、支管不僅發(fā)生軸向變形，同時(shí)在空間拉、壓力作用下各桿件發(fā)生了相應(yīng)的平面外變形。此外，在節(jié)點(diǎn)加荷的同時(shí)，對空間加荷裝置的彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形監(jiān)測非常重要，關(guān)系到節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)的安全。為了測試節(jié)點(diǎn)各桿件的軸向變形和平面外變形及加荷裝置的彎曲變形等，桿件端部和加荷框架的中部、角部布置了一定數(shù)量的位移傳感器和百分表。

圖5　Joint－8試件單向和三向應(yīng)變片布置（S－單向應(yīng)變片，T－三向應(yīng)變片）

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

2．1 節(jié)點(diǎn)試件試驗(yàn)描述

方、圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)是空間封閉的殼體結(jié)構(gòu)，受力復(fù)雜。不同的節(jié)點(diǎn)形式、幾何尺寸和受力狀態(tài)，可能引起不同的破壞模式。

對joint－8－1試件而言，在到達(dá)加載制度step－2（即0．4倍設(shè)計(jì)荷載）時(shí)，桿件8測點(diǎn)T18開始出現(xiàn)屈服，節(jié)點(diǎn)其它測點(diǎn)仍保持彈性；在到達(dá)加載制度step－16（即1．25倍設(shè)計(jì)荷載）時(shí)，桿件1測點(diǎn)T3、桿件2測點(diǎn)T5和桿件6測點(diǎn)T13相繼出現(xiàn)屈服，節(jié)點(diǎn)其它測點(diǎn)仍保持彈性。

joint－8－2試件在安裝過程中發(fā)現(xiàn)其支管（桿件8）與joint－8－1試件出入很大，考慮到加荷框架和試驗(yàn)條件的限制，對其與加荷框架連接處進(jìn)行了局部改造處理，但處理后在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，空間多向同時(shí)加荷對加荷框架影響較大，導(dǎo)致橫向加荷框架和斜向加荷框變形較大，為了確保試驗(yàn)安全，僅對該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行到step－12（即1．05倍設(shè)計(jì)荷載）為止。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，在到達(dá)加載制度step－2（即0．4倍設(shè)計(jì)荷載）時(shí)，桿件8測點(diǎn)T18開始出現(xiàn)屈服，節(jié)點(diǎn)其它測點(diǎn)到試驗(yàn)終止均保持彈性。

2．2 主支管交匯區(qū)域節(jié)點(diǎn)域的應(yīng)力分布

本文中試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)是由8根支管交匯在1根主管上形成的三維空間薄壁結(jié)構(gòu)，應(yīng)力分布非常復(fù)雜。節(jié)點(diǎn)的安全與否直接關(guān)系到整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全。因此有必要探清節(jié)點(diǎn)域處主支管交匯區(qū)的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)及其分布規(guī)律和該區(qū)域應(yīng)力發(fā)展的情況。根據(jù)試驗(yàn)過程中各個(gè)測點(diǎn)所得的應(yīng)變值及桿件材質(zhì)的名義屈服強(qiáng)度、彈性模量，將測點(diǎn)測得的復(fù)雜應(yīng)力狀況采用Mises等效應(yīng)力σe來表示。

相對圓管相貫節(jié)點(diǎn)而言，方、圓相貫節(jié)點(diǎn)不具有冠點(diǎn)等，但都存在熱點(diǎn)應(yīng)力。所謂熱點(diǎn)就是節(jié)點(diǎn)中桿件應(yīng)力等效值最大的點(diǎn)。對于圓管而言，其熱點(diǎn)位于相貫線最低點(diǎn)處。圓鋼管在桿件軸力作用下不很大時(shí)就進(jìn)入屈服，隨著桿件軸力的增大，熱點(diǎn)處形成塑性區(qū)并進(jìn)行應(yīng)力重分布，鑒于相貫節(jié)點(diǎn)自身具有很大的強(qiáng)度儲(chǔ)備，節(jié)點(diǎn)承載力在熱點(diǎn)屈服后仍可繼續(xù)承受載荷，直至出現(xiàn)明顯的局部塑性變形。由圖6可知：（1）2個(gè)節(jié)點(diǎn)試件典型測點(diǎn)等效應(yīng)力變化規(guī)律基本一致。相貫節(jié)點(diǎn)圓支管與主管交匯處，測點(diǎn)T18率先屈服，但并未發(fā)生明顯的塑性變形；（2）其他桿件的測點(diǎn)（除桿件1－T3、桿件2－T5和桿件6－T13）在相同加載制度下，仍處于彈性階段；（3）個(gè)別測點(diǎn)在未達(dá)到其名義屈服強(qiáng)度之前，其等效應(yīng)力與載荷之間存在一定的非線性。究其原因，筆者認(rèn)為主要是：試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)各桿件空間加荷的不同步性；對該類型空間相貫節(jié)點(diǎn)，主支管截面型式和尺寸差異、支管之間間隙大小和搭接程度均對支管根部約束存在一定影響；試驗(yàn)預(yù)加載過程中，節(jié)點(diǎn)各支管與主管相貫區(qū)域測點(diǎn)等效應(yīng)力存在相互影響。總體而言，本次試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的熱點(diǎn)應(yīng)力主要集中在支管與主管交匯處兩側(cè)的主管管壁和受壓支管頂部的主管壁上。

圖6　joint－8節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力分布曲線

2．3 試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果對比

本文采用通用有限元程序ABAQUS，對joint－8 的2個(gè)試件進(jìn)行了在試驗(yàn)加載制度下的靜力分析。節(jié)點(diǎn)單元類型采用S4R（4節(jié)點(diǎn)殼單元減縮積分），網(wǎng)格劃分布置合適單元種子，桿件交匯區(qū)域處適當(dāng)加密，獲得較高的精確度；材料為Q345C和Q235C，與節(jié)點(diǎn)試件一致；分析過程中，材料采用理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系；采用Mises屈服準(zhǔn)則，收斂準(zhǔn)則以位移收斂控制。在有限元數(shù)值模擬過程中，節(jié)點(diǎn)計(jì)算簡圖為：主管一端（桿件1B）按固定支座考慮，另一端（桿件1A）僅在Z向按鉸接支座考慮，節(jié)點(diǎn)其他支管端部按自由端考慮。

由表4可以看出，試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果存在一定的差異。joint－8－1試件各桿件出現(xiàn)屈服的

表4　節(jié)點(diǎn)桿件典型測點(diǎn)試驗(yàn)與有限元分析結(jié)果對比　MPa

順序不同步，同一桿件不同測點(diǎn)也存在類似的情況；joint－8－2試件鑒于加荷條件和加工誤差等因素限制，整個(gè)試驗(yàn)過程中僅桿件8出現(xiàn)與joint－8－1類似的現(xiàn)象。兩者存在誤差的原因主要有以下幾個(gè)方面：（1）節(jié)點(diǎn)試件的支座不能到達(dá)理想的固結(jié)支座，與有限元分析時(shí)采用支座相差較大；（2）節(jié)點(diǎn)試件加荷產(chǎn)生的實(shí)際偏心距和計(jì)算所得的偏心距存在一定的差異，有限元分析采用計(jì)算所得的偏心距；（3）有限元模擬過程中，未考慮節(jié)點(diǎn)焊縫型式和焊縫缺陷對節(jié)點(diǎn)受力的影響；（4）由于試驗(yàn)條件限制，本次節(jié)點(diǎn)試件加荷名義上為空間同時(shí)多向加荷，但操作過程中，加荷均為人工加荷，難免存在加荷不同步性，而有限元模擬并未考慮加荷空間和時(shí)間影響。

3　結(jié)論

本文對2個(gè)空間多支管復(fù)雜方圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了足尺試驗(yàn)研究，總結(jié)了節(jié)點(diǎn)桿件交匯處主管（焊接方鋼管）管壁的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，并將試驗(yàn)結(jié)果與有限元數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對比分析，得出以下主要結(jié)論：

1）兩個(gè)joint－8試件主支管加工誤差不同，其應(yīng)力分布規(guī)律相差較大，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)相應(yīng)桿件測點(diǎn)試驗(yàn)值出入較大。

2）對類似空間多支管復(fù)雜方圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)而言，主、支管應(yīng)統(tǒng)一材質(zhì)，選用鋼材性能高的材質(zhì)有利。

3）對于空間相貫節(jié)點(diǎn)，采用空間多向同時(shí)加載，考慮到主支管、方圓管在軸向剛度和徑向剛度的差異，節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力分布非常復(fù)雜。圓管桿件8與主管（焊接方管）相貫區(qū)域支管壁熱點(diǎn)在軸向荷載不大時(shí)就開始屈服，繼續(xù)加載該點(diǎn)形成塑性區(qū)，發(fā)生應(yīng)力重分布。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 舒興平，朱正榮，王元清．N型方圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)足尺試驗(yàn)研究［J］．建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2006，27（1）：66－70．

［2］ 曾毅恒，朱丹，趙基達(dá)，等．北京A380大跨機(jī)庫節(jié)點(diǎn)承載力試驗(yàn)研究［J］．土木工程學(xué)報(bào)，2008，41（2）：29－34．

［3］ 丁北斗，呂恒林，周淑春，等．T型圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)的抗彎性能足尺試驗(yàn)研究［J］．四川建筑科學(xué)研究，2008，34（5）：66－70．

［4］ 紀(jì)晗，熊世樹，黃麗婷．異型相貫節(jié)點(diǎn)承載力分析與足尺試驗(yàn)研究［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31（11）：61－65．

［5］ 王樹，張國軍，葛家琪，等．弦桿受拉大直徑空間相貫節(jié)點(diǎn)足尺模型試驗(yàn)與設(shè)計(jì)研究［J］．建筑結(jié)構(gòu)，2010，40（12）：19－24．

［6］ 張國軍，王樹，王耀峰，等．弦桿受壓大直徑空間相貫節(jié)點(diǎn)足尺模型試驗(yàn)與設(shè)計(jì)研究［J］．建筑結(jié)構(gòu)，2010，40（12）：10－18．

［7］ 劉鑫剛，葛家琪，張國軍，等．承受彎矩大直徑空間相貫節(jié)點(diǎn)足尺模型試驗(yàn)與設(shè)計(jì)研究［J］．建筑結(jié)構(gòu)，2010，40（12）：25－33．

［8］ 支旭東，聶桂波，范峰．大連市體育館圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)足尺實(shí)驗(yàn)研究［J］．工程力學(xué)，2012，29（3）：170－176．

［9］ 錢昆，豆焱．某廣場鋼結(jié)構(gòu)裙房大尺寸KT型相貫節(jié)點(diǎn)非線性有限元分析［J］．佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，31（1）：31－33．

［10］ 鄭軍．空間X＋雙KK型圓鋼管焊接節(jié)點(diǎn)靜力性能試驗(yàn)研究［J］．太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，42（12）：83－87．

［11］ GB50017－2003．鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京：中國計(jì)劃出版社，2003．

（編輯：賈麗紅）

Full－Scale Test on Static Behavior of Spatial Complicated Penetrated Joints with Several Braces

JIAO Jinfeng，MA Xiao，LEI Honggang
（College of Architecture and Civil Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan030024，China）

Abstract：Full－scale test on static behavior were conducted on two spatial complicated penetrated joints with several braces of square chords with circular braces under multi－directional axial loading．The test shows that there are larger manufacturing errors in the bars of two joints of a kind，which cause bigger difference between the loading capacity of the test joints．For the joints of square chord with circular brace，cross－section discrepancy of the braces leads to plastic yielding first occurring at the intersection of the chord and brace；rational construction of joint is beneficial for joint security．The calculation shows that discrepancy of the two joints exists between the experiment values and the results of finite element analysis，which is mainly caused by the difference between real support and ideal support，inaccurate locations of loading，defects in joint weld，and non－synchronous space loading of bars and joints．The research indicates that the brace section and axial force have greater influences on the load－carrying capacity of the spatial complicated penetrated joints with several braces of square chords with circular braces，which needs further study．

Key words：tubular structure；spatial penetrated joint；full scale experiment；finite element analysis；static behaviors

作者簡介：焦晉峰（1979－），男，山西晉城人，講師，博士，主要從事鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)研究，（Tel）18636629791

基金項(xiàng)目：山西省青年科技研究基金資助項(xiàng)目（2012021019－2）；山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目：（20090321018）

收稿日期：＊2014－10－25

文章編號：1007－9432（2015）03－0303－05

DOI：10．16355／j．cnki．issn1007－9432tyut．2015．03．011

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號：TU392