? 圆钢管混凝土节点平面内抗弯刚度研究* 圆钢管混凝土节点平面内抗弯刚度研究*
王新毅1,2 童乐为1
(1.同济大学土木工程学院, 上海 200092; 2.南昌工程学院土建学院, 南昌 330099)
摘 要：对圆钢管混凝土T/Y型节点在平面内弯矩作用下的抗弯刚度进行数值分析和试验验证,比较空钢管节点和内填充混凝土钢管节点抗弯性能的差异,分析节点各无量纲参数对抗弯刚度的影响,给出钢管混凝土节点的抗弯刚度计算公式。研究表明：空钢管节点的主管内填充混凝土后,节点的抗弯刚度有明显的提高,节点刚度取决于弦杆的径向刚度和弦杆、腹杆相贯面的表面积；节点刚度随主、支管管径比β和主支管厚度比τ的增大而提高,随径厚比γ和主、支管夹角θ的增大而降低；内填充混凝土强度的变化对节点的抗弯刚度影响较小。
关键词：圆钢管节点； 圆钢管混凝土节点； 抗弯刚度； 有限元
*国家自然科学基金项目资助(50478108)。
第一作者：王新毅,男,1977年出生,工学博士,讲师。
Email:[email protected]
1 概 述
在实际工程中,大跨钢管结构作为平面的或空间的铰接杆件体系用于桁式或拱式结构；用于空腹桁架或单层网壳时,必须采用刚性节点假定[1]进行设计。针对大跨钢管结构分析中目前仍然采用传统理想化节点假定来建立计算模型的现状,国内外学者对钢管相贯节点的非刚性性能进行了较深层次的研究,对钢管节点刚度对节点性能的影响亦有了一定程度的了解,并且在钢管结构模型分析中引入节点刚度以分析结构的整体性能。
GB 50017—2013《钢结构设计规范》[2]给出了桁架弦杆和腹杆受压时计算长度的规定。国际管结构发展与研究委员会(CIDECT)给出矩形钢管桁架腹杆任一平面内的计算长度为0.75l[3]。《矩形钢管混凝土结构技术规程》[4]对压杆计算长度的规定指出：受压腹杆的计算长度为0.75l。王伟提出了相贯节点刚度的参数公式,以刚架弹性稳定理论为基础给出了半刚性节点钢桁架受压腹杆计算长度[5-7]。蔡健以经典的刚架弹性稳定理论及相关研究成果为基础,推导了考虑节点刚度和相邻腹杆刚度对受压腹杆影响的杆件群稳定方程及腹杆计算长度系数的计算方程[8]。蔡健分析了相邻节间弦杆内力比对受压弦杆计算长度的影响,提出了矩形钢管混凝土桁架受压弦杆计算长度系数[9]。童乐为、王新毅对钢管混凝土节点抗弯刚度和承载力的试验研究,试验表明在一定条件下,节点可以作为全刚接抗弯节点看待,节点抗弯强度能保证杆件承载能力的充分发挥[10]。
当前对于圆钢管混凝土节点抗弯刚度的研究较少,如何评价钢管混凝土节点刚度对结构整体性能的影响没有理论依据可循。
2 节点抗弯刚度参数公式
2.1 节点抗弯刚度的定义
当节点的支管受到平面内弯矩作用时,除主管由于弯矩作用下的整体转动外,在支管和主管连接处的主管管壁发生局部凹陷(凸突),连接处产生局部转动,如图1所示。
注：β=d/D;γ=D/(2T);τ=t/T；L和l分别为主和支管长度；
T和t分别为主和支管壁厚；D和d分别为主和支管管径；
Q为主、支管夹角；ω1和ω2分别为主、支管连接处
主管管壁局部凸突和凹陷；θr为局部转角。
图1 平面内弯矩作用下的节点局部变形
节点的抗弯刚度定义为发生单位局部变形对应的外荷载,其公式为：
(1)
式中：KM为节点的抗弯刚度；M为支管轴线与主管表面相交处的弯矩；θr为在支管平面内弯矩M作用下主管相贯面的局部转角。
2.2 分析模型
应用通用有限元软件PATRAN/MARC对试验节点进行弹性分析,节点建模采用8结点实体单元Elememt 7。分析模拟了试验的加载及约束条件,即支管端部施加水平力V,主管两端施加约束。
网格的大小直接同计算结果的精度密切相关,本文在网格划分时,考虑了粗细网格的过渡,有限元模型如图2所示。
图2 有限元加载模型及边界条件
钢材的弹性模量Es=2.06×105MPa,泊松比vs=0.3；混凝土的弹性模量Ec根据混凝土强度确定,泊松比vc=0.2。分析中不计残余应力及节点焊缝对刚度的影响。通过定义混凝土和钢材之间的摩擦系数来考虑钢管与混凝土之间的相互作用,分析中摩擦系数取0.2。
2.3 参数分析
2.3.1 参数β的影响
图3为节点抗弯刚度与主、支管管径比β的关系曲线,曲线采用幂函数形式模拟。从图中可以看出,随着β增大(支管与主管管径愈接近),节点的抗弯刚度增大。
注：γ=25,τ=0.7,θ=90°,D=400 mm,
fcu=40 MPa,相关系数R2=0.999 8。
图3 参数β对节点抗弯刚度的影响
2.3.2 参数γ的影响
图4给出了节点抗弯刚度与径厚比γ的关系曲线,曲线采用幂函数形式模拟。随着γ增大(支管壁厚减小),节点的抗弯刚度减小。
注：β=0.6,τ=0.7,θ=90°,D=400 mm,fcu=40 MPa,R2=0.999 8。
图4 参数γ对节点抗弯刚度的影响
2.3.3 参数τ的影响
图5 给出了节点抗弯刚度与主、支管厚度比τ的关系曲线,曲线采用幂函数形式模拟。随着τ增大(支管壁厚增大),节点的抗弯刚度略有增大。
注：β=0.6,γ=25,θ=90°,D=400 mm,fcu=40 MPa,R2=0.994 9。
图5 参数τ对节点抗弯刚度的影响
注：β=0.6,γ=25,τ=0.7,D=400 mm,fcu=40 MPa,R2=0.999 3。
图6 参数θ对节点抗弯刚度的影响
2.3.4 参数θ的影响
图6 给出了节点抗弯刚度与sinθ的关系曲线,曲线采用幂函数形式模拟。随着主管与支管之间夹角θ的增大,节点的抗弯刚度减小。
2.3.5 混凝土强度的影响
图7给出了节点抗弯刚度与混凝土强度的关系曲线。在其他参数相同的情况下,主管内填充的混凝土对其径向刚度有很大提高,但是混凝土强度的提高对节点的抗弯刚度的提高作用不明显。主管内填充混凝土后,主管的径向抗压刚度大幅提高,有效地减小了受压侧冠点的局部变形；对于受拉一侧,主管管壁的局部变形主要依靠主管的抗弯刚度以及混凝土与钢管之间的黏结力,节点域受拉侧的局部变形受混凝土强度变化的影响不大。
注：β=0.6,γ=25,τ=0.7,θ=90°,D=400 mm。
图7 参数fcu对节点抗弯刚度的影响
2.3.6 主管管径的影响
考察主管管径D变化(其他4个反映节点相对几何尺寸的参数保持不变)对于节点抗弯刚度的影响。此时模型的抗弯刚度的变化仅由主管管径D(绝对尺寸)引起。节点抗弯刚度与主管直径的关系曲线见图8,随主管管径D增大,节点的抗弯刚度增大,主管直径D与抗弯刚度曲线可以采用KM=CEsD3(C为考虑包含节点参数β、γ、τ和θ的待定系数)的函数形式加以描述。
注：D=400 mm,β=0.6,γ=25,τ=0.7,θ=90°,
fcu=40 MPa,R2=0.999 9。
图8 主管管径D对节点抗弯刚度的影响
2.4 节点平面内抗弯刚度公式
模型分析采用非线性拟合的方法,对模型节点进行多元回归,钢管混凝土节点的平面内抗弯刚度算式如下：
(2)
式中：30°≤θ≤90°,0.3≤β≤1.0,0≤γ≤40,0.4≤τ≤1.0。
2.5 钢管节点与钢管混凝土节点的抗弯性能比较
a—圆钢管节点;b—圆钢管混凝土节点。
图9 节点局部变形
空心圆钢管节点的支管轴向刚度远远大于相贯线处的主管径向刚度,当支管上作用弯矩时,在弦杆相贯线附近受压一侧管壁局部凹陷,受拉一侧管壁局部凸突,连接处产生局部转动,即“失圆”现象。相比较而言,圆钢管混凝土CFCHS节点的弦杆内填充混凝土后,弦杆的径向刚度得到极大程度地提高,对于弦杆管壁的局部变形起到明显约束作用。
图9给出了两类节点的的局部变形,可见：圆钢管节点的弦杆相贯线附近受压侧弦杆管壁局部凹陷,受拉侧管壁局部凸突,表现出明显的“失圆”特征；而圆钢管混凝土节点受拉侧钢管与混凝土局部脱开,由于内填充混凝土极大地提高了弦杆的径向刚度,受压侧支管管壁发生局部屈曲。
3 节点抗弯刚度的试验验证
由于目前钢管混凝土焊接节点抗弯刚度数据的缺乏,对于圆钢管混凝土T型节点的抗弯刚度进行了试验研究,为钢管混凝土焊接节点的抗弯刚度的研究提供数据验证。
3.1 试件设计
对于圆钢管节点的抗弯刚度,以往的研究都是通过节点无量纲参数加以表述,试验研究几何参数β、γ、τ和混凝土强度对节点刚度的影响。共设计了10个节点试件,试件几何参数见表1。
表1 钢管混凝土T型节点试件参数
试件编号D×T/mmd×t/mmβ=d/Dγ=D/(2T)τ=t/TL/mml/mm钢材等级混凝土等级T1245×8.55133×8.080.5414.330.951470700.0Q345BC50T2180×5.46133×6.60.7416.481.211200733.0Q345BC50T3133×4.65133×4.551.0014.300.981000755.5Q345BC50T4245×8.55133×6.330.5414.330.741470700.0Q345BC50T5245×8.55133×4.50.5414.330.531470700.0Q345BC50T6245×8.55133×8.130.5414.330.951470700.0Q345BC20T7245×8.55133×7.750.5414.330.911470700.0Q345BC70T8203×8.23140×8.250.6912.331.001200725.0Q345BC50T9203×9.93140×10.260.6910.221.031200725.0Q345BC50T10203×11.94140×12.290.698.501.031200725.0Q345BC50
主管与支管之间采用全周全熔透坡口对接焊缝,焊缝细节符合JGJ 81—2002《建筑钢结构焊接技术规程》的规定。
3.2 加载及测试
试验时节点试件主管水平放置,并保持与三角形反力架在同一竖直平面内。主管两端耳板开圆孔,通过穿过刚性支座和主管耳板的销轴加以连接,使得主管两端边界条件为铰接。刚性支座通过地脚锚栓与地槽牢固连接。
对支管施加平面内弯矩时,通过固定在水平反力架上的千斤顶,对试件支管顶端施加水平力,从而实现对节点施加平面内弯矩的加载。通过布置在支管端部的水平位移计测试支管加载端的水平位移,布置在主管端部的竖向位移计测试试件的竖向刚体位移,布置在主管跨中的水平位移计测试主管轴线中点处的水平位移,布置在主管跨中的竖向位移计测试主管轴线中点处的竖向位移。
3.3 节点抗弯刚度参数公式与试验结果的比较
为了校验节点抗弯刚度参数公式的可靠性,将公式的计算结果与T型钢管混凝土焊接节点试验数据进行比较,比较结果见表2。比较两者的数据可以看到,试验数据略高于公式数据,表明本文得到的节点抗弯刚度公式(式(21))是可靠的。
表2 节点抗弯刚度的试验值同公式计算结果的比较
试件编号 参数βγτθD/mmK试验值/(kN\5m)K公式值/(kN\5m)K试验值K公式值T10.5414.330.9590°[1**********]1.24T20.7416.481.2190°[1**********]1.36T31.0014.300.9890°[1**********]1.14T40.5414.330.7490°[1**********]1.28T50.5414.330.5390°[1**********]1.14T60.5414.330.9590°[1**********]1.20T70.5414.330.9190°[1**********]1.27T80.6912.331.0090°[1**********]1.17T90.6910.221.0390°[1**********]41.22T100.698.501.0390°[1**********]021.28
4 结 论
1)由于主管内填充混凝土,钢管混凝土节点的抗弯刚度明显优于圆钢管节点。
2)节点的抗弯刚度取决于节点的几何参数,当
γ增大时,弦杆壁厚减小,弦杆的抗弯刚度减小,节点刚度降低；当β增大时,腹杆管径增大,弦、腹杆相贯面的表面积增大,节点刚度增大；当τ增大时,腹杆管径不变,腹杆壁厚增大,弦、腹杆相贯面的表面积增大,节点刚度增大；当腹杆与弦杆之间的夹角θ增大时,弦、腹杆相贯面的表面积减小,节点刚度降低。
3)内填充混凝土强度的变化对节点的抗弯刚度影响较小。
4)节点抗弯刚度公式能较好地反映节点的抗弯性能,可用于指导工程应用,也可以作为参数分析的理论依据。
参考文献
[1] 董石麟,罗尧治,赵阳,等．新型空间结构分析、设计与施工[M]. 北京: 人民交通出版社, 2006．
[2] GB 50017—2003 钢结构设计规范[S]．
[3] Packer J A,Henderson J E,Cao J J．Design Direction of Hollow Structural Section Connection[M]．Science & Technology Publishing House,1997．
[4] CECS 159∶2004 矩形钢管混凝土结构技术规程[S]．
[5] 陈以一,王伟,赵宪忠,等．圆钢管相贯节点抗弯刚度和承载力实验 [J].建筑结构学报,2001,22 (6): 25-30．
[6] 王伟,陈以一．圆钢管相贯节点局部刚度的参数公式[J]． 同济大学学报: 自然科学版,2003,31(5)： 515-519.
[7] 王伟,陈以一．节点半刚性钢桁架受压腹杆计算长度分析[J].工程力学,2005,22 (5)：131-135．
[8] 蔡健, 陈国栋.相邻腹杆刚度对桁架受压腹杆计算长度的影响[J]. 华南理工大学学报:自然科学版, 2008,36(6): 1-5.
[9] 蔡健,陈国栋．矩形钢管混凝土桁架受压弦杆的计算长度[J].钢结构,2009,24 (4)：23-25．
[10] 童乐为,王新毅,陈以一,等．广州新电视塔环梁-立柱-支撑-牛腿焊接节点抗弯刚度性能研究[J]. 土木工程学报,2010, 43 (7)： 22-28．
ANALYSIS ON THE FLEXURAL RIGIDITY OF CHS-CFCHS JOINTS UNDERIN-PLANE BENDING MOMENTWang Xinyi1,2 Tong Lewei1
(1. Department of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092,China;
2. Department of Civil Engineering, Nanchang Institute of Technology, Nanchang 330099, China)
ABSTRACT：The numerical analysis and experimental verification for T/Y CHS-CFCHS joint specimens with different geometry parameters were conducted under in-plane moment by FEM. The flexural behavior of hollow steel tube joints and concrete-filled steel tube joints were compared.The influence of dimensionless parameters on the joint rigidity of concrete filled circle hollow section (CFCHS) joints was analyzed. The formula for flexural rigidity of CHS-CFCHS joints was established based on joint geometry parameters.The results showed that the joint rigidity of CHS-CFCHS joints increased accordingly compared to CHS joints. Joint rigidity depends on chord stiffness and the brace-chord contact area. The joint rigidity decreased with the increase of values ofγorθ；and increased with the increase of values ofβorτ．The joint rigidity was less affected by the strength of in-fill concrete.
KEY WORDS：CFCHS(concrete filled circle hollow section) joints; CHS(circle hollow section) joints; joint rigidity；finite element
收稿日期：2015-05-18
DOI:10.13206/j.gjg201601004
? 圆钢管混凝土节点平面内抗弯刚度研究* 圆钢管混凝土节点平面内抗弯刚度研究*
王新毅1,2 童乐为1
(1.同济大学土木工程学院, 上海 200092; 2.南昌工程学院土建学院, 南昌 330099)
摘 要：对圆钢管混凝土T/Y型节点在平面内弯矩作用下的抗弯刚度进行数值分析和试验验证,比较空钢管节点和内填充混凝土钢管节点抗弯性能的差异,分析节点各无量纲参数对抗弯刚度的影响,给出钢管混凝土节点的抗弯刚度计算公式。研究表明：空钢管节点的主管内填充混凝土后,节点的抗弯刚度有明显的提高,节点刚度取决于弦杆的径向刚度和弦杆、腹杆相贯面的表面积；节点刚度随主、支管管径比β和主支管厚度比τ的增大而提高,随径厚比γ和主、支管夹角θ的增大而降低；内填充混凝土强度的变化对节点的抗弯刚度影响较小。
关键词：圆钢管节点； 圆钢管混凝土节点； 抗弯刚度； 有限元
*国家自然科学基金项目资助(50478108)。
第一作者：王新毅,男,1977年出生,工学博士,讲师。
Email:[email protected]
1 概 述
在实际工程中,大跨钢管结构作为平面的或空间的铰接杆件体系用于桁式或拱式结构；用于空腹桁架或单层网壳时,必须采用刚性节点假定[1]进行设计。针对大跨钢管结构分析中目前仍然采用传统理想化节点假定来建立计算模型的现状,国内外学者对钢管相贯节点的非刚性性能进行了较深层次的研究,对钢管节点刚度对节点性能的影响亦有了一定程度的了解,并且在钢管结构模型分析中引入节点刚度以分析结构的整体性能。
GB 50017—2013《钢结构设计规范》[2]给出了桁架弦杆和腹杆受压时计算长度的规定。国际管结构发展与研究委员会(CIDECT)给出矩形钢管桁架腹杆任一平面内的计算长度为0.75l[3]。《矩形钢管混凝土结构技术规程》[4]对压杆计算长度的规定指出：受压腹杆的计算长度为0.75l。王伟提出了相贯节点刚度的参数公式,以刚架弹性稳定理论为基础给出了半刚性节点钢桁架受压腹杆计算长度[5-7]。蔡健以经典的刚架弹性稳定理论及相关研究成果为基础,推导了考虑节点刚度和相邻腹杆刚度对受压腹杆影响的杆件群稳定方程及腹杆计算长度系数的计算方程[8]。蔡健分析了相邻节间弦杆内力比对受压弦杆计算长度的影响,提出了矩形钢管混凝土桁架受压弦杆计算长度系数[9]。童乐为、王新毅对钢管混凝土节点抗弯刚度和承载力的试验研究,试验表明在一定条件下,节点可以作为全刚接抗弯节点看待,节点抗弯强度能保证杆件承载能力的充分发挥[10]。
当前对于圆钢管混凝土节点抗弯刚度的研究较少,如何评价钢管混凝土节点刚度对结构整体性能的影响没有理论依据可循。
2 节点抗弯刚度参数公式
2.1 节点抗弯刚度的定义
当节点的支管受到平面内弯矩作用时,除主管由于弯矩作用下的整体转动外,在支管和主管连接处的主管管壁发生局部凹陷(凸突),连接处产生局部转动,如图1所示。
注：β=d/D;γ=D/(2T);τ=t/T；L和l分别为主和支管长度；
T和t分别为主和支管壁厚；D和d分别为主和支管管径；
Q为主、支管夹角；ω1和ω2分别为主、支管连接处
主管管壁局部凸突和凹陷；θr为局部转角。
图1 平面内弯矩作用下的节点局部变形
节点的抗弯刚度定义为发生单位局部变形对应的外荷载,其公式为：
(1)
式中：KM为节点的抗弯刚度；M为支管轴线与主管表面相交处的弯矩；θr为在支管平面内弯矩M作用下主管相贯面的局部转角。
2.2 分析模型
应用通用有限元软件PATRAN/MARC对试验节点进行弹性分析,节点建模采用8结点实体单元Elememt 7。分析模拟了试验的加载及约束条件,即支管端部施加水平力V,主管两端施加约束。
网格的大小直接同计算结果的精度密切相关,本文在网格划分时,考虑了粗细网格的过渡,有限元模型如图2所示。
图2 有限元加载模型及边界条件
钢材的弹性模量Es=2.06×105MPa,泊松比vs=0.3；混凝土的弹性模量Ec根据混凝土强度确定,泊松比vc=0.2。分析中不计残余应力及节点焊缝对刚度的影响。通过定义混凝土和钢材之间的摩擦系数来考虑钢管与混凝土之间的相互作用,分析中摩擦系数取0.2。
2.3 参数分析
2.3.1 参数β的影响
图3为节点抗弯刚度与主、支管管径比β的关系曲线,曲线采用幂函数形式模拟。从图中可以看出,随着β增大(支管与主管管径愈接近),节点的抗弯刚度增大。
注：γ=25,τ=0.7,θ=90°,D=400 mm,
fcu=40 MPa,相关系数R2=0.999 8。
图3 参数β对节点抗弯刚度的影响
2.3.2 参数γ的影响
图4给出了节点抗弯刚度与径厚比γ的关系曲线,曲线采用幂函数形式模拟。随着γ增大(支管壁厚减小),节点的抗弯刚度减小。
注：β=0.6,τ=0.7,θ=90°,D=400 mm,fcu=40 MPa,R2=0.999 8。
图4 参数γ对节点抗弯刚度的影响
2.3.3 参数τ的影响
图5 给出了节点抗弯刚度与主、支管厚度比τ的关系曲线,曲线采用幂函数形式模拟。随着τ增大(支管壁厚增大),节点的抗弯刚度略有增大。
注：β=0.6,γ=25,θ=90°,D=400 mm,fcu=40 MPa,R2=0.994 9。
图5 参数τ对节点抗弯刚度的影响
注：β=0.6,γ=25,τ=0.7,D=400 mm,fcu=40 MPa,R2=0.999 3。
图6 参数θ对节点抗弯刚度的影响
2.3.4 参数θ的影响
图6 给出了节点抗弯刚度与sinθ的关系曲线,曲线采用幂函数形式模拟。随着主管与支管之间夹角θ的增大,节点的抗弯刚度减小。
2.3.5 混凝土强度的影响
图7给出了节点抗弯刚度与混凝土强度的关系曲线。在其他参数相同的情况下,主管内填充的混凝土对其径向刚度有很大提高,但是混凝土强度的提高对节点的抗弯刚度的提高作用不明显。主管内填充混凝土后,主管的径向抗压刚度大幅提高,有效地减小了受压侧冠点的局部变形；对于受拉一侧,主管管壁的局部变形主要依靠主管的抗弯刚度以及混凝土与钢管之间的黏结力,节点域受拉侧的局部变形受混凝土强度变化的影响不大。
注：β=0.6,γ=25,τ=0.7,θ=90°,D=400 mm。
图7 参数fcu对节点抗弯刚度的影响
2.3.6 主管管径的影响
考察主管管径D变化(其他4个反映节点相对几何尺寸的参数保持不变)对于节点抗弯刚度的影响。此时模型的抗弯刚度的变化仅由主管管径D(绝对尺寸)引起。节点抗弯刚度与主管直径的关系曲线见图8,随主管管径D增大,节点的抗弯刚度增大,主管直径D与抗弯刚度曲线可以采用KM=CEsD3(C为考虑包含节点参数β、γ、τ和θ的待定系数)的函数形式加以描述。
注：D=400 mm,β=0.6,γ=25,τ=0.7,θ=90°,
fcu=40 MPa,R2=0.999 9。
图8 主管管径D对节点抗弯刚度的影响
2.4 节点平面内抗弯刚度公式
模型分析采用非线性拟合的方法,对模型节点进行多元回归,钢管混凝土节点的平面内抗弯刚度算式如下：
(2)
式中：30°≤θ≤90°,0.3≤β≤1.0,0≤γ≤40,0.4≤τ≤1.0。
2.5 钢管节点与钢管混凝土节点的抗弯性能比较
a—圆钢管节点;b—圆钢管混凝土节点。
图9 节点局部变形
空心圆钢管节点的支管轴向刚度远远大于相贯线处的主管径向刚度,当支管上作用弯矩时,在弦杆相贯线附近受压一侧管壁局部凹陷,受拉一侧管壁局部凸突,连接处产生局部转动,即“失圆”现象。相比较而言,圆钢管混凝土CFCHS节点的弦杆内填充混凝土后,弦杆的径向刚度得到极大程度地提高,对于弦杆管壁的局部变形起到明显约束作用。
图9给出了两类节点的的局部变形,可见：圆钢管节点的弦杆相贯线附近受压侧弦杆管壁局部凹陷,受拉侧管壁局部凸突,表现出明显的“失圆”特征；而圆钢管混凝土节点受拉侧钢管与混凝土局部脱开,由于内填充混凝土极大地提高了弦杆的径向刚度,受压侧支管管壁发生局部屈曲。
3 节点抗弯刚度的试验验证
由于目前钢管混凝土焊接节点抗弯刚度数据的缺乏,对于圆钢管混凝土T型节点的抗弯刚度进行了试验研究,为钢管混凝土焊接节点的抗弯刚度的研究提供数据验证。
3.1 试件设计
对于圆钢管节点的抗弯刚度,以往的研究都是通过节点无量纲参数加以表述,试验研究几何参数β、γ、τ和混凝土强度对节点刚度的影响。共设计了10个节点试件,试件几何参数见表1。
表1 钢管混凝土T型节点试件参数
试件编号D×T/mmd×t/mmβ=d/Dγ=D/(2T)τ=t/TL/mml/mm钢材等级混凝土等级T1245×8.55133×8.080.5414.330.951470700.0Q345BC50T2180×5.46133×6.60.7416.481.211200733.0Q345BC50T3133×4.65133×4.551.0014.300.981000755.5Q345BC50T4245×8.55133×6.330.5414.330.741470700.0Q345BC50T5245×8.55133×4.50.5414.330.531470700.0Q345BC50T6245×8.55133×8.130.5414.330.951470700.0Q345BC20T7245×8.55133×7.750.5414.330.911470700.0Q345BC70T8203×8.23140×8.250.6912.331.001200725.0Q345BC50T9203×9.93140×10.260.6910.221.031200725.0Q345BC50T10203×11.94140×12.290.698.501.031200725.0Q345BC50
主管与支管之间采用全周全熔透坡口对接焊缝,焊缝细节符合JGJ 81—2002《建筑钢结构焊接技术规程》的规定。
3.2 加载及测试
试验时节点试件主管水平放置,并保持与三角形反力架在同一竖直平面内。主管两端耳板开圆孔,通过穿过刚性支座和主管耳板的销轴加以连接,使得主管两端边界条件为铰接。刚性支座通过地脚锚栓与地槽牢固连接。
对支管施加平面内弯矩时,通过固定在水平反力架上的千斤顶,对试件支管顶端施加水平力,从而实现对节点施加平面内弯矩的加载。通过布置在支管端部的水平位移计测试支管加载端的水平位移,布置在主管端部的竖向位移计测试试件的竖向刚体位移,布置在主管跨中的水平位移计测试主管轴线中点处的水平位移,布置在主管跨中的竖向位移计测试主管轴线中点处的竖向位移。
3.3 节点抗弯刚度参数公式与试验结果的比较
为了校验节点抗弯刚度参数公式的可靠性,将公式的计算结果与T型钢管混凝土焊接节点试验数据进行比较,比较结果见表2。比较两者的数据可以看到,试验数据略高于公式数据,表明本文得到的节点抗弯刚度公式(式(21))是可靠的。
表2 节点抗弯刚度的试验值同公式计算结果的比较
试件编号 参数βγτθD/mmK试验值/(kN\5m)K公式值/(kN\5m)K试验值K公式值T10.5414.330.9590°[1**********]1.24T20.7416.481.2190°[1**********]1.36T31.0014.300.9890°[1**********]1.14T40.5414.330.7490°[1**********]1.28T50.5414.330.5390°[1**********]1.14T60.5414.330.9590°[1**********]1.20T70.5414.330.9190°[1**********]1.27T80.6912.331.0090°[1**********]1.17T90.6910.221.0390°[1**********]41.22T100.698.501.0390°[1**********]021.28
4 结 论
1)由于主管内填充混凝土,钢管混凝土节点的抗弯刚度明显优于圆钢管节点。
2)节点的抗弯刚度取决于节点的几何参数,当
γ增大时,弦杆壁厚减小,弦杆的抗弯刚度减小,节点刚度降低；当β增大时,腹杆管径增大,弦、腹杆相贯面的表面积增大,节点刚度增大；当τ增大时,腹杆管径不变,腹杆壁厚增大,弦、腹杆相贯面的表面积增大,节点刚度增大；当腹杆与弦杆之间的夹角θ增大时,弦、腹杆相贯面的表面积减小,节点刚度降低。
3)内填充混凝土强度的变化对节点的抗弯刚度影响较小。
4)节点抗弯刚度公式能较好地反映节点的抗弯性能,可用于指导工程应用,也可以作为参数分析的理论依据。
参考文献
[1] 董石麟,罗尧治,赵阳,等．新型空间结构分析、设计与施工[M]. 北京: 人民交通出版社, 2006．
[2] GB 50017—2003 钢结构设计规范[S]．
[3] Packer J A,Henderson J E,Cao J J．Design Direction of Hollow Structural Section Connection[M]．Science & Technology Publishing House,1997．
[4] CECS 159∶2004 矩形钢管混凝土结构技术规程[S]．
[5] 陈以一,王伟,赵宪忠,等．圆钢管相贯节点抗弯刚度和承载力实验 [J].建筑结构学报,2001,22 (6): 25-30．
[6] 王伟,陈以一．圆钢管相贯节点局部刚度的参数公式[J]． 同济大学学报: 自然科学版,2003,31(5)： 515-519.
[7] 王伟,陈以一．节点半刚性钢桁架受压腹杆计算长度分析[J].工程力学,2005,22 (5)：131-135．
[8] 蔡健, 陈国栋.相邻腹杆刚度对桁架受压腹杆计算长度的影响[J]. 华南理工大学学报:自然科学版, 2008,36(6): 1-5.
[9] 蔡健,陈国栋．矩形钢管混凝土桁架受压弦杆的计算长度[J].钢结构,2009,24 (4)：23-25．
[10] 童乐为,王新毅,陈以一,等．广州新电视塔环梁-立柱-支撑-牛腿焊接节点抗弯刚度性能研究[J]. 土木工程学报,2010, 43 (7)： 22-28．
ANALYSIS ON THE FLEXURAL RIGIDITY OF CHS-CFCHS JOINTS UNDERIN-PLANE BENDING MOMENTWang Xinyi1,2 Tong Lewei1
(1. Department of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092,China;
2. Department of Civil Engineering, Nanchang Institute of Technology, Nanchang 330099, China)
ABSTRACT：The numerical analysis and experimental verification for T/Y CHS-CFCHS joint specimens with different geometry parameters were conducted under in-plane moment by FEM. The flexural behavior of hollow steel tube joints and concrete-filled steel tube joints were compared.The influence of dimensionless parameters on the joint rigidity of concrete filled circle hollow section (CFCHS) joints was analyzed. The formula for flexural rigidity of CHS-CFCHS joints was established based on joint geometry parameters.The results showed that the joint rigidity of CHS-CFCHS joints increased accordingly compared to CHS joints. Joint rigidity depends on chord stiffness and the brace-chord contact area. The joint rigidity decreased with the increase of values ofγorθ；and increased with the increase of values ofβorτ．The joint rigidity was less affected by the strength of in-fill concrete.
KEY WORDS：CFCHS(concrete filled circle hollow section) joints; CHS(circle hollow section) joints; joint rigidity；finite element
收稿日期：2015-05-18
DOI:10.13206/j.gjg201601004