王文達(dá)，易練波，范家浩

(蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

中空夾層圓鋼管混凝土(CFDST)構(gòu)件[1-3]由于抗彎剛度大、受力性能好等優(yōu)點(diǎn)，在輸電塔、風(fēng)力發(fā)電機(jī)支撐柱及海洋平臺柱等工程中廣泛應(yīng)用。此構(gòu)件在輸電塔法蘭節(jié)點(diǎn)中往往受到由風(fēng)荷載引起的較大彎矩和拉力，若按傳統(tǒng)鋼管剛性法蘭[4]設(shè)計，僅在外鋼管法蘭外圈布置1圈螺栓，具體構(gòu)造見圖1，為了滿足承載能力設(shè)計要求，螺栓直徑、法蘭板厚度往往會很大，大直徑高強(qiáng)度等級的螺栓除了給施工擰緊帶來不便外，較厚法蘭板也會出現(xiàn)層狀撕裂的危險，采用此方法設(shè)計節(jié)點(diǎn)會降低整個結(jié)構(gòu)的安全度。

圖1 傳統(tǒng)鋼管剛性法蘭

為了解決大直徑螺栓和較厚法蘭板帶來的弊端，本文提出在內(nèi)鋼管再布置1圈螺栓，此節(jié)點(diǎn)構(gòu)造通過在內(nèi)外鋼管之間采用定位板來保證內(nèi)外鋼管同心要求。同時內(nèi)外鋼管與內(nèi)外法蘭板在同一位置焊接，焊接后用螺栓將其連接成一個整體，之后在內(nèi)外鋼管中間空隙處填充C50混凝土，從而保證內(nèi)外法蘭節(jié)點(diǎn)連接處混凝土的連續(xù)性，具體構(gòu)造如圖2所示?；诂F(xiàn)有的研究成果可知：改進(jìn)后的節(jié)點(diǎn)滿足承載能力設(shè)計要求，且節(jié)點(diǎn)受力合理，同時螺栓直徑、法蘭板厚度、加勁肋尺寸、焊縫尺寸都可以相應(yīng)減小、相比于傳統(tǒng)鋼管內(nèi)外法蘭[5]，由于混凝土的存在，可以較好地限制內(nèi)外鋼管的屈曲，節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出較好的塑性和韌性，能很好地滿足結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)、抗震性能要求。

圖2 中空夾層圓鋼管混凝土內(nèi)外法蘭

目前，針對內(nèi)外法蘭節(jié)點(diǎn)的相關(guān)研究成果相對較少。鄧洪洲等[6]對鋼管內(nèi)外法蘭進(jìn)行軸拉、軸壓靜力試驗，得到了外、內(nèi)圈螺栓拉力比值為1.0；陳哲等[7]對中空夾層圓鋼管混凝土內(nèi)外法蘭受彎性能進(jìn)行了試驗研究，得到旋轉(zhuǎn)軸位置為0.75R(R為外鋼管半徑)；黃譽(yù)等[8]對鋼管內(nèi)外法蘭受彎性能進(jìn)行了試驗研究和有限元分析，建議計算最大螺栓拉力時，旋轉(zhuǎn)軸位置距鋼管中心0.7R；陳勇等[9]對鋼管內(nèi)外法蘭在壓彎組合荷載下的承載力進(jìn)行了試驗研究，得出了內(nèi)外法蘭在大偏心受壓荷載下，節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)為法蘭板破壞，而在小偏心受壓荷載下，節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)為鋼管屈曲破壞；薛濱等[10]基于平截面假定，運(yùn)用半解析法推導(dǎo)了鋼管內(nèi)外法蘭受拉彎時最大螺栓拉力的計算公式，孫傳琦等[11]對鋼管內(nèi)外法蘭進(jìn)行了受彎試驗和有限元分析，結(jié)果表明旋轉(zhuǎn)軸位于外鋼管0.6R，Cao等[12]對傳統(tǒng)鋼管法蘭受軸向拉力荷載時，提出了計算螺栓拉力的具體計算公式。對于中空夾層圓鋼管混凝土內(nèi)外法蘭節(jié)點(diǎn)受彎性能有限元分析目前未見報道。

1 有限元模型

1.1 有限元模型驗證

為了驗證建模方法的可靠性，對已有試驗的3個中空夾層圓鋼管混凝土受彎構(gòu)件和3個圓鋼管內(nèi)外法蘭節(jié)點(diǎn)拉彎構(gòu)件進(jìn)行數(shù)值模擬。構(gòu)件的主要參數(shù)如表1，2所示，其中Di,Do分別為內(nèi)鋼管和外鋼管直徑，ti,to分別為內(nèi)鋼管和外鋼管壁厚，L為構(gòu)件長度，fyo,fyi分別為內(nèi)外鋼管屈服強(qiáng)度，fcu為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，χ為空心率，χ=Di/(Do-2to)，F(xiàn)o,Fi,t分別為法蘭外徑、內(nèi)徑、厚度，e為偏心距，a,b為螺栓內(nèi)外邊距。如圖3，4所示，節(jié)點(diǎn)的極限承載力與有限元模擬有較好的一致性，在此建模方法的基礎(chǔ)上，建立中空夾層圓鋼管混凝土內(nèi)外法蘭模型進(jìn)行有限元分析。

圖3 中空夾層圓鋼管混凝土構(gòu)件彎矩-跨中撓度(M-μ)曲線

表1 中空夾層圓鋼管混凝土構(gòu)件

表2 圓鋼管內(nèi)外法蘭節(jié)點(diǎn)構(gòu)件

1.2 典型算例

通過典型算例分析中空夾層圓鋼管混凝土內(nèi)外法蘭節(jié)點(diǎn)的受力全過程，根據(jù)《中空夾層鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(送審稿)中規(guī)定的要求，合理確定內(nèi)外鋼管直徑和壁厚、內(nèi)外法蘭板直徑和厚度、加勁肋尺寸、螺栓與內(nèi)外鋼管壁距離。基本參數(shù)為：Do=800 mm，Di=600 mm，to=ti=12 mm，F(xiàn)0=940 mm，F(xiàn)i=460 mm，t=20 mm，加勁肋尺寸為160 mm×70 mm×12 mm，螺栓內(nèi)外邊距a=b=35 mm，空心率χ=0.77，構(gòu)件長度L=3 200 mm，剪跨比λ=1.125。

1.3 節(jié)點(diǎn)有限元計算模型

法蘭板之間的接觸、法蘭板與螺母、螺帽的接觸、螺桿與螺孔的接觸界面摩擦因數(shù)參考文獻(xiàn)[8]取0.3，加載夾具與構(gòu)件面面接觸，界面摩擦因數(shù)為0.25，內(nèi)外鋼管與混凝土之間界面的相互作用通過定義切向和法向接觸來實(shí)現(xiàn)，其中法線方向為“hard”接觸，切線方向為庫侖摩擦模型，摩擦因數(shù)為0.25[3]。為保證變形協(xié)調(diào)一致性，加勁肋與內(nèi)外鋼管、法蘭板、鋼管與法蘭板之間以及上下端板與內(nèi)外鋼管建立tie綁定，模型各部件采用實(shí)體單元，內(nèi)外鋼管、核心混凝土以及上下端板、加載夾具、加勁肋、螺栓、法蘭板都采用C3D8R單元。

圖4 圓鋼管內(nèi)外法蘭節(jié)點(diǎn)拉彎荷載-法蘭板張開量(F-U)曲線

鋼管、法蘭板和加勁肋的本構(gòu)關(guān)系采用二次塑流模型，鋼材彈性模量Es=2.06×105MPa，泊松比取0.3，混凝土的本構(gòu)關(guān)系采用塑性損傷模型，混凝土彈性階段的泊松比取0.2，具體表達(dá)式見參考文獻(xiàn)[15]，高強(qiáng)螺栓8.8sM20的本構(gòu)關(guān)系采用直接強(qiáng)化的多線性等向強(qiáng)化模型，具體表達(dá)式參考文獻(xiàn)[16]，上下端板和加載夾具在模擬受彎過程中處于彈性范圍內(nèi)，變形極其微小，近似視為剛體，彈性模量Es=1×1012MPa，泊松比取1×10-6。

為模擬節(jié)點(diǎn)實(shí)際受彎，在左右兩側(cè)一定距離處模擬加載夾具施加相等力(F1=F2)，同時左端約束U1，U2，U3，右端約束U1，U2，節(jié)點(diǎn)模型采用六面體掃掠化結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分；內(nèi)外法蘭節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)格劃分關(guān)鍵在于合理劃分法蘭板、螺栓、加勁肋的網(wǎng)格，本節(jié)將螺栓、加勁肋設(shè)置成非獨(dú)立實(shí)體，在part功能模塊中劃分，法蘭板、內(nèi)外鋼管、混凝土為獨(dú)立實(shí)體，在mesh功能模塊中劃分；為了使螺栓受力集中處受力均勻過渡，在內(nèi)外法蘭板上下面切分和螺母大小相等的圓形截面，在其表面通過設(shè)置局部種子使法蘭板與螺母接觸面網(wǎng)格均勻?qū)R，具體加載方式和網(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖5 加載方式和網(wǎng)格劃分示意圖

2 有限元模型計算結(jié)果

2.1 破壞過程分析

開始受力階段混凝土首先開裂，具體表現(xiàn)為從底部開始，其開裂高度隨著荷載的增加而增加，混凝土開裂導(dǎo)致法蘭截面受拉區(qū)的混凝土失效，截面拉力由螺栓承擔(dān)，因此相對于螺栓承擔(dān)的彎矩，混凝土承擔(dān)的部分彎矩可以忽略不計。隨著荷載增加，從外法蘭板底部螺栓開始，法蘭截面受拉區(qū)的螺栓沿著截面高度方向依次屈服，當(dāng)外彎矩為1 946 kN·m時，內(nèi)外法蘭節(jié)點(diǎn)發(fā)生破壞，節(jié)點(diǎn)最終破壞形態(tài)如圖6所示。由圖6可知：節(jié)點(diǎn)破壞時，法蘭板受拉區(qū)底部螺栓出現(xiàn)頸縮拉伸破壞，外法蘭板張開，混凝土露出，外鋼管受壓區(qū)出現(xiàn)輕微鼓曲。

圖6 內(nèi)外法蘭節(jié)點(diǎn)破壞形態(tài)

為了進(jìn)一步描述節(jié)點(diǎn)的破壞過程，圖7給出了節(jié)點(diǎn)M-μ關(guān)系曲線，并將中空夾層圓鋼管混凝土內(nèi)外法蘭節(jié)點(diǎn)受彎過程大致分為3個階段：彈性階段(OA)、彈塑性階段(AC)、塑性階段(CD)。

圖7 M-μ曲線

彈性階段(OA段)：節(jié)點(diǎn)在OA段M-μ曲線基本呈線性增長，彎矩的增幅遠(yuǎn)大于撓度的增幅，在A點(diǎn)時，彎矩大約為450 kN·m時，內(nèi)外法蘭板、內(nèi)外鋼管、螺栓、加勁肋均處于彈性階段，僅混凝土受拉側(cè)開裂，不影響節(jié)點(diǎn)總體剛度。

彈塑性階段(AC段)：節(jié)點(diǎn)的彈塑性階段分兩部分進(jìn)行，節(jié)點(diǎn)在AB段的M-μ曲線斜率緩慢變小，主要原因是隨著彎矩的增大，螺栓拉力傳遞給法蘭板，由于螺栓的屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于法蘭板的屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致受拉側(cè)法蘭板首先屈服；在AB段內(nèi)外螺栓都處于彈性階段，直到B點(diǎn)，彎矩大約為1 100 kN·m時，外法蘭板底部最大螺栓開始屈服，之后受拉區(qū)內(nèi)外螺栓沿著高度方向?qū)⒁来吻?；在BC段撓度的增長速率明顯大于彎矩的增長速率，同時截面中和軸逐漸向受壓區(qū)上移，節(jié)點(diǎn)處于彈塑性狀態(tài)。

塑性階段(CD段)：由于混凝土的存在，節(jié)點(diǎn)破壞在CD段不出現(xiàn)下降，隨著各構(gòu)件依次屈服，節(jié)點(diǎn)的承載力大小保持不變，說明中空夾層圓鋼管混凝土內(nèi)外法蘭節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出良好的延性和塑性。

2.2 內(nèi)外法蘭板屈服應(yīng)力、接觸應(yīng)力和接觸狀態(tài)

節(jié)點(diǎn)在受彎過程中，螺栓拉力主要靠法蘭板承擔(dān)，而壓力不能靠受壓區(qū)螺栓傳遞，主要靠受壓區(qū)混凝土和內(nèi)外法蘭板相互擠壓傳遞，圖8為內(nèi)外法蘭板在彎矩-跨中撓度曲線對應(yīng)A，B，C三點(diǎn)的屈服應(yīng)力、接觸應(yīng)力、接觸狀態(tài)云圖，分析內(nèi)外法蘭板的屈服應(yīng)力發(fā)展、接觸應(yīng)力分布和接觸狀態(tài)。

圖8 內(nèi)外法蘭板屈服應(yīng)力、接觸應(yīng)力和接觸狀態(tài)

內(nèi)外法蘭板屈服應(yīng)力首先在外法蘭板受拉側(cè)最底端出現(xiàn)，以螺栓中點(diǎn)向周圍發(fā)展，之后向法蘭受壓區(qū)發(fā)展，內(nèi)外法蘭板表現(xiàn)出良好的塑性發(fā)展特征。

隨著受拉側(cè)內(nèi)外螺栓依次屈服，接觸應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)外法蘭板受壓側(cè)最上端，并且內(nèi)外法蘭板接觸應(yīng)力集中于靠近鋼管壁側(cè)，之后向內(nèi)外鋼管壁側(cè)兩邊發(fā)展。

內(nèi)外法蘭板首先在加勁肋兩側(cè)張開，在外法蘭板底端最大螺栓屈服時，外法蘭板底端最大螺栓兩側(cè)都張開，但張開量不同，靠近鋼管壁側(cè)最大值為4.8 mm，遠(yuǎn)離鋼管壁側(cè)為2.0 mm，從而可知螺栓受力不均勻。

2.3 螺栓屈服應(yīng)力分布

圖9為內(nèi)外法蘭板底端最大內(nèi)外螺栓屈服應(yīng)力云圖。由圖9可知：靠近鋼管壁側(cè)的螺栓屈服應(yīng)力大于遠(yuǎn)離鋼管壁側(cè)，主要原因是由于螺栓兩側(cè)內(nèi)外法蘭板張開量不一致，靠近鋼管壁側(cè)的法蘭板張開量大于遠(yuǎn)離鋼管壁側(cè)，導(dǎo)致螺栓不僅受到拉力，還受到附加彎矩；另外，由于受壓區(qū)高度的不同，外圈螺栓屈服應(yīng)力發(fā)展大于內(nèi)圈螺栓，具體表現(xiàn)為外圈最大螺栓屈服時，外彎矩大約為1 100 kN·m，內(nèi)圈最大螺栓屈服時，外彎矩大約為1 300 kN·m，節(jié)點(diǎn)破壞時，內(nèi)外螺栓均發(fā)生頸縮的受拉破壞。

圖9 內(nèi)外法蘭板底端最大螺栓屈服應(yīng)力云圖(單位:MPa)

2.4 內(nèi)外鋼管、混凝土縱向應(yīng)力分布

圖10，11為節(jié)點(diǎn)處內(nèi)外鋼管、混凝土在彎矩-跨中撓度曲線對應(yīng)A，B，C三點(diǎn)的縱向應(yīng)力云圖。由圖10，11可知：內(nèi)外鋼管縱向應(yīng)力與混凝土縱向應(yīng)力分布基本一致，在截面中線上面都存在1條中和軸(中和軸以下受拉，以上受壓)，并且在外法蘭板底端最大螺栓屈服前，中和軸位置保持不變，最大螺栓屈服后，中和軸向上移。

圖10 節(jié)點(diǎn)處內(nèi)外鋼管縱向應(yīng)力(單位:MPa)

圖11 節(jié)點(diǎn)處核心混凝土縱向應(yīng)力(單位:MPa)

3 內(nèi)外法蘭旋轉(zhuǎn)軸和中和軸位置

3.1 內(nèi)外法蘭旋轉(zhuǎn)軸計算理論

鋼管剛性法蘭受彎，計算最大螺栓拉力時，取鋼管外壁切線為旋轉(zhuǎn)軸。內(nèi)外法蘭最大螺栓拉力的計算可以借鑒傳統(tǒng)鋼管剛性法蘭力學(xué)模型。在本文內(nèi)外法蘭旋轉(zhuǎn)軸計算理論中，混凝土開裂后不再承擔(dān)拉力，因此計算旋轉(zhuǎn)軸時不計入混凝土所受拉力，同時假設(shè)各內(nèi)外螺栓拉力大小與螺栓位置到受壓側(cè)法蘭板的距離成正比，依據(jù)文獻(xiàn)[11]螺栓計算理論，分析最大螺栓拉力左右兩側(cè)的縱向應(yīng)力，取平均求最大螺栓拉力。

由圖12可知：在A點(diǎn)之前，最大螺栓拉力增加很小，主要原因是剛開始混凝土承擔(dān)了較大拉力，隨后混凝土開裂，退出工作，全部拉力由內(nèi)外螺栓承擔(dān)，因此計算內(nèi)外法蘭旋轉(zhuǎn)軸位置時，可忽略混凝土拉力，最終根據(jù)最大螺栓拉力大小多次迭代計算反推螺栓群旋轉(zhuǎn)軸的位置。

圖12 最大螺栓拉力-彎矩曲線

分析其中3個數(shù)據(jù)的最大螺栓拉力大小與彎矩的關(guān)系，由表3可知：隨著彎矩的增大，旋轉(zhuǎn)軸有增大的趨勢，高強(qiáng)螺栓8.8sM20屈服時，對應(yīng)螺栓拉力為186 kN，初步得出在外法蘭板底端最大螺栓屈服前，內(nèi)外法蘭節(jié)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)軸位置大約位于0.6R。

表3 旋轉(zhuǎn)軸位置模擬

3.2 內(nèi)外法蘭中和軸位置

由前文內(nèi)外鋼管、混凝土縱向應(yīng)力云圖可知：內(nèi)外法蘭中和軸隨著彎矩的增大而上移，根據(jù)平截面應(yīng)變假定，分析節(jié)點(diǎn)處截面高度方向上外鋼管和外加勁肋隨彎矩變化時的平均縱向應(yīng)力，確定內(nèi)外法蘭節(jié)點(diǎn)的中和軸位置。

圖13，14分別為外鋼管和外加勁肋縱向應(yīng)力σ在節(jié)點(diǎn)處截面高度方向上隨彎矩大小變化的分布情況。由圖13，14可知：外鋼管和外肋板兩者縱向應(yīng)力所確定的截面中和軸基本一致，在外法蘭底端最大螺栓屈服前，內(nèi)外法蘭中和軸幾乎保持不變，內(nèi)外法蘭節(jié)點(diǎn)中和軸大約位于0.35R；當(dāng)截面彎矩達(dá)到一定值時，中和軸向上移，主要原因是下部螺栓受拉依次屈服所致，當(dāng)發(fā)生屈服螺栓的數(shù)量較多時，法蘭中和軸有往上移的趨勢，內(nèi)外法蘭節(jié)點(diǎn)達(dá)到極限荷載時，中和軸大約位于0.5R。

圖13 外鋼管縱向應(yīng)力

圖14 外加勁肋縱向應(yīng)力

4 參數(shù)分析

本文主要對中空夾層鋼管混凝土內(nèi)外法蘭節(jié)點(diǎn)受彎進(jìn)行有限元參數(shù)分析，考察相關(guān)參數(shù)對節(jié)點(diǎn)極限承載力和最大螺栓拉力的影響。取典型算例試件進(jìn)行研究，相關(guān)參數(shù)如下：混凝土強(qiáng)度fcu為30～50 MPa，螺栓預(yù)緊力P為0～125 kN，內(nèi)外法蘭錯開間距d為0～600 mm，法蘭板的厚度t為16～24 mm，空心率χ為0.64～0.84，螺栓的內(nèi)外邊距比值z為0.75～1.3。

4.1 參數(shù)對彎矩-撓度曲線的影響

4.1.1 混凝土強(qiáng)度

圖15(a)為混凝土強(qiáng)度對節(jié)點(diǎn)M-μ曲線的影響?；炷翉?qiáng)度由fcu=30 MPa增加到fcu=50 MPa時，節(jié)點(diǎn)的極限承載力由1 900 kN·m增加到1 946 kN·m，增加了2.4%，混凝土強(qiáng)度對節(jié)點(diǎn)的抗彎剛度和極限承載力影響不大，主要原因是混凝土受拉承載力相對于螺栓拉力可以忽略不計。

4.1.2 螺栓預(yù)緊力

采用有限元軟件ABAQUS模擬施加螺栓預(yù)緊力，方法具體參考文獻(xiàn)[17]，[18]，8.8級M20高強(qiáng)螺栓施加預(yù)緊力大小參考文獻(xiàn)[19]。

圖15(b)為螺栓預(yù)緊力對節(jié)點(diǎn)M-μ曲線的影響。螺栓預(yù)緊力大小由0 kN增加到125 kN時，節(jié)點(diǎn)的極限承載力幾乎保持不變，節(jié)點(diǎn)的初始剛度有較小的提高，從而可知法蘭節(jié)點(diǎn)連接過程中，節(jié)點(diǎn)受荷載之前，高強(qiáng)螺栓在法蘭節(jié)點(diǎn)施加一定的預(yù)緊力可以防止連接節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)滑動。

4.1.3 內(nèi)外法蘭錯開間距

為避免內(nèi)外法蘭節(jié)點(diǎn)的薄弱部分出現(xiàn)在同一截面，將內(nèi)外法蘭之間錯開一定的距離。

圖15(c)為內(nèi)外法蘭錯開間距對節(jié)點(diǎn)M-μ曲線的影響。節(jié)點(diǎn)錯開間距由0 mm增加到600 mm時，節(jié)點(diǎn)的極限承載力由1 970 kN·m增加到2 950 kN·m，增加了49.7%，內(nèi)外法蘭錯開間距的增加提高了節(jié)點(diǎn)的抗彎剛度和極限承載力，主要原因是隨著內(nèi)外法蘭錯開間距的增加，內(nèi)外法蘭節(jié)點(diǎn)錯開部位類似于中空夾層鋼管混凝土構(gòu)件，承擔(dān)較大彎矩，但節(jié)點(diǎn)的延性和安全富余系數(shù)減小，因此在滿足節(jié)點(diǎn)承載力、剛度和延性的條件下，內(nèi)外法蘭存在最適宜的錯開間距。

4.1.4 法蘭板厚度

圖15(d)為法蘭板厚度對節(jié)點(diǎn)M-μ曲線的影響。法蘭板厚度由16 mm增加到24 mm時，節(jié)點(diǎn)極限承載力由1 940 kN·m增加到2 000 kN·m，增加了3.1%，主要原因是法蘭板厚度的增加提高了節(jié)點(diǎn)的抗彎剛度和極限承載力，但較厚法蘭板的節(jié)點(diǎn)會出現(xiàn)層狀撕裂的危險，因此內(nèi)外法蘭板厚度在滿足承載力要求下盡量減小。

4.1.5 空心率

圖15(e)為空心率對節(jié)點(diǎn)M-μ曲線的影響?？招穆视?.64增加到0.84時，節(jié)點(diǎn)的極限承載力由2 050 kN·m減少到1 900 kN·m，減少了7.9%，空心率的增加降低了節(jié)點(diǎn)的抗彎剛度和極限承載力，主要原因是空心率的增加使中空夾層鋼管混凝土構(gòu)件抗彎模量減小，從而使節(jié)點(diǎn)極限承載力下降。

4.1.6 螺栓內(nèi)外邊距比值

圖15(f)為螺栓內(nèi)外邊距比值對節(jié)點(diǎn)M-μ曲線的影響。螺栓離鋼管壁距離由30 mm增加到40 mm時，節(jié)點(diǎn)的極限承載力由1 930 kN·m增加到1 970 kN·m，增加了2%，由此可知螺栓至管壁的距離對節(jié)點(diǎn)承載力有一定的影響，但影響程度較小。

圖15 彎矩-跨中撓度曲線

4.2 參數(shù)對彎矩-最大螺栓拉力曲線的影響

4.2.1 混凝土強(qiáng)度

圖16(a)為混凝土強(qiáng)度對節(jié)點(diǎn)M-F曲線的影響?；炷翉?qiáng)度由fcu=30 MPa增加到fcu=50 MPa時，最大螺栓拉力大小幾乎不變，主要原因是混凝土承受到的拉力相比于螺栓可以忽略不計。

4.2.2 螺栓預(yù)緊力

圖16(b)為螺栓預(yù)緊力對節(jié)點(diǎn)M-F曲線的影響。螺栓預(yù)緊力大小由0 kN增加到125 kN時，最大螺栓拉力出現(xiàn)先下降后增加的現(xiàn)象，主要原因是節(jié)點(diǎn)施加預(yù)緊力后，彎矩引起的螺栓拉力可以抵消螺栓受拉側(cè)節(jié)點(diǎn)初始施加的螺栓預(yù)緊力，在外法蘭板底端最大螺栓屈服前，預(yù)緊力的存在增加了最大螺栓拉力。

4.2.3 內(nèi)外法蘭錯開間距

圖16(c)為法蘭錯開間距對節(jié)點(diǎn)M-F曲線的影響。節(jié)點(diǎn)錯開間距由0 mm增加到600 mm時，最大螺栓拉力減小，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)處所受彎矩降低，從而降低了最大螺栓拉力。

4.2.4 法蘭板厚度

圖16(d)為法蘭厚度對節(jié)點(diǎn)M-F曲線的影響。法蘭板厚度由16 mm增加到24 mm時，最大螺栓拉力減小，主要原因是法蘭板厚度提高了節(jié)點(diǎn)的抗彎剛度，減小了螺栓在法蘭板產(chǎn)生變形的同時受到的撬力，從而降低了最大螺栓拉力。

4.2.5 空心率

圖16(e)為空心率對節(jié)點(diǎn)M-F曲線的影響?？招穆视?.64增加到0.84時，最大螺栓拉力增加，主要原因是空心率的增加降低了節(jié)點(diǎn)的抗彎剛度和極限承載力，從而增加了最大螺栓拉力。

4.2.6 螺栓內(nèi)外邊距比值

圖16(f)為螺栓內(nèi)外邊距比值對節(jié)點(diǎn)M-F曲線的影響。螺栓離鋼管壁距離由30 mm增加到40 mm時，最大螺栓拉力減小，主要原因是螺栓布置遠(yuǎn)離鋼管壁側(cè)，可以減小法蘭板起撬引起的螺栓附加彎矩，從而減小了最大螺栓拉力。

圖16 彎矩-最大螺栓拉力曲線

5 結(jié)語

(1)節(jié)點(diǎn)的抗彎承載力主要由內(nèi)外螺栓受拉承擔(dān)，具體表現(xiàn)為頸縮拉伸破壞，混凝土所提供的拉力相對較小，因此相對于螺栓承擔(dān)的彎矩，混凝土承擔(dān)的部分彎矩可以忽略不計。

(2)在節(jié)點(diǎn)受彎過程中，外法蘭螺栓先于內(nèi)法蘭螺栓進(jìn)入屈服，螺栓不僅受到拉力，還受到附加彎矩，在外法蘭板底端最大螺栓屈服前，節(jié)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)軸位置大約為0.6R處，中和軸位置大約位于0.35R處，中和軸和旋轉(zhuǎn)軸不在同一截面。

(3)節(jié)點(diǎn)外法蘭板底端最大螺栓屈服時，彎矩大約為1 100 kN·m，節(jié)點(diǎn)極限承載力為外法蘭板底端最大螺栓屈服承載力的1.76倍左右，當(dāng)以外法蘭板底端最大螺栓屈服作為節(jié)點(diǎn)極限承載力時，節(jié)點(diǎn)具有較大的安全富余系數(shù)。

(4)節(jié)點(diǎn)的極限承載力隨法蘭板厚度、內(nèi)外法蘭錯開間距增大而增大，隨空心率的增加而減小，而螺栓預(yù)緊力、螺栓內(nèi)外邊距比值和混凝土強(qiáng)度對節(jié)點(diǎn)極限承載力影響不大。外圈最大螺栓拉力隨法蘭板厚度、內(nèi)外法蘭錯開間距、螺栓內(nèi)外邊距比值增大而減小，隨空心率、螺栓預(yù)緊力增大而增大。