葛成成

摘 要 對(duì)兩種幾何特征的圓鋼管空間相貫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了靜力單調(diào)和反復(fù)加載的實(shí)驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了專(zhuān)用的加載裝置以對(duì)試件中的桿件和節(jié)點(diǎn)施加較大內(nèi)力。研究揭示了這類(lèi)節(jié)點(diǎn)塑性變形沿首次塑性開(kāi)展方向累積的特點(diǎn)，并指出單調(diào)加載曲線可以基本包覆滯回曲線。實(shí)驗(yàn)表明，采用相貫節(jié)點(diǎn)的鋼管結(jié)構(gòu)，其滯回特性取決于節(jié)點(diǎn)的滯回行為。

關(guān)鍵詞 鋼結(jié)構(gòu) 相貫節(jié)點(diǎn) 滯回性能 實(shí)驗(yàn)研究 加載裝置

中圖分類(lèi)號(hào)：TU392.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

圓鋼管結(jié)構(gòu)相貫節(jié)點(diǎn)的靜力強(qiáng)度問(wèn)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(duì)低周反復(fù)荷載作用下相貫節(jié)點(diǎn)彈塑性滯回性能的研究則還未充分展開(kāi)。工程中采用相貫節(jié)點(diǎn)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(lái)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的，而當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)處在抗震設(shè)防區(qū)域時(shí)，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(guò)設(shè)計(jì)內(nèi)力的荷載效應(yīng)。正是由于相貫節(jié)點(diǎn)在承載強(qiáng)度上具有這種與框架梁柱節(jié)點(diǎn)不同的特性，結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的整體性能更依賴(lài)于節(jié)點(diǎn)而非桿件，所以對(duì)相貫節(jié)點(diǎn)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(gè)非常重要的課題。

本文報(bào)告關(guān)于圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)滯回性能的實(shí)驗(yàn)研究。研究的直接工程背景是廣州國(guó)際會(huì)展中心張弦桁架。該桁架為圓鋼管空間桁架，節(jié)點(diǎn)形式為KK形相貫節(jié)點(diǎn)。由于工程建造在7度設(shè)防區(qū)，節(jié)點(diǎn)滯回性能的研究成為結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)價(jià)的必要一環(huán)。

1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)加載的基本方式有兩類(lèi)：第一，直接以節(jié)點(diǎn)為加載對(duì)象；第二，以桁架結(jié)構(gòu)整體為加載對(duì)象。第一種加載方式，其優(yōu)點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)受力直接，便于采用足尺試件使構(gòu)造細(xì)部接近實(shí)際；缺點(diǎn)是試件約束條件與實(shí)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(shí)際工況。大跨度桁架結(jié)構(gòu)承受地震作用時(shí)，主要影響是地震的上下動(dòng)分量。為了模擬這種情況，本實(shí)驗(yàn)研究中設(shè)計(jì)了桁架右邊的懸臂部分為加載節(jié)間和作為研究對(duì)象的試驗(yàn)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(diǎn)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(diǎn)置于懸臂部分內(nèi)，使得與節(jié)點(diǎn)相連的弦桿內(nèi)力可以接近或超過(guò)實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中的最大設(shè)計(jì)軸力。

試件設(shè)計(jì)時(shí)，鋼管規(guī)格、節(jié)點(diǎn)部位的幾何尺寸、桿件的相對(duì)角度與實(shí)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(shí)驗(yàn)室的加載條件。軸線縮尺后可能引起的問(wèn)題是桿件內(nèi)力成分的相對(duì)比例發(fā)生變化。對(duì)弦桿節(jié)點(diǎn)區(qū)的應(yīng)力狀況則影響不大。單調(diào)加載時(shí)，由安放在上弦的千斤頂施加荷載，使得被試節(jié)點(diǎn)的弦桿受壓。加載至節(jié)點(diǎn)區(qū)焊縫乃至鋼管發(fā)生斷裂或節(jié)點(diǎn)發(fā)生過(guò)度塑性變形以至出現(xiàn)極限荷載后的下降段時(shí)停止加載。反復(fù)加載時(shí)，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(duì)節(jié)點(diǎn)承載更為不利的特點(diǎn)，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(diǎn)弦桿受壓時(shí)的端部位移值。

2主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合應(yīng)變分析，在給定的節(jié)點(diǎn)參數(shù)下，桁架整體的彈塑性滯回變形主要源于節(jié)點(diǎn)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(duì)變形在卸載初期未能及時(shí)恢復(fù)。

腹桿測(cè)點(diǎn)應(yīng)變?cè)诩虞d全程中均小于屈服應(yīng)變，據(jù)此計(jì)算出腹桿軸力；沿腹桿軸線量測(cè)腹桿上的測(cè)點(diǎn)相對(duì)弦桿軸線的變形，從中扣除腹桿軸向變形后得到節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)：（1）盡管循環(huán)過(guò)程中作用在節(jié)點(diǎn)部位的腹桿軸力拉壓變號(hào)，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(jì)算模型是重要的。用相貫節(jié)點(diǎn)連接的鋼管構(gòu)架一般在工程結(jié)構(gòu)靜力分析時(shí)作為全鉸接的桁架。考慮到弦桿的連續(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(diǎn)亦可作為剛性節(jié)點(diǎn)看待。

3節(jié)點(diǎn)滯回特性評(píng)價(jià)

本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，具有相同幾何參數(shù)的試件，無(wú)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(diǎn)。綜合分析，可知滯回過(guò)程對(duì)破壞模式?jīng)]有顯著影響。

桿件承受軸力為主的相貫節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，稱(chēng)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(chēng)為極限變形準(zhǔn)則。

總起來(lái)看，單調(diào)荷載下的節(jié)點(diǎn)承載力略高于反復(fù)荷載下的節(jié)點(diǎn)極限承載力。抗震設(shè)計(jì)時(shí)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(diǎn)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(shí)節(jié)點(diǎn)的變形率稍低，節(jié)點(diǎn)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(jì)了加載裝置，實(shí)施了相貫節(jié)點(diǎn)的滯回性能實(shí)驗(yàn)。

（2）揭示了相貫節(jié)點(diǎn)在腹桿變號(hào)軸力反復(fù)作用下變形沿首次塑性開(kāi)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(diǎn)的鋼管結(jié)構(gòu)，其滯回性能取決于節(jié)點(diǎn)的滯回性能，結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)特定幾何參數(shù)的相貫節(jié)點(diǎn)的塑性耗能能力及抗震性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

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