周凌宇，張 花

(中南大學土木工程學院，湖南 長沙 410075)

西安—平?jīng)鲨F路的后河村特大橋、馬屋涇河特大橋、太峪大橋采用鋼－混凝土組合桁架結構，此結構上、下弦桿采用鋼筋混凝土或預應力混凝土，并通過鋼腹桿形式將上下弦連接，不僅從造型上滿足了低建筑高度的結構要求，而且通過充分發(fā)揮2種材料的力學性能，改善和提高了結構強度和剛度，大幅度增強了整體的承載能力。

組合桁架在荷載作用下，端節(jié)點承受極大的水平推力，節(jié)點構型復雜多變。目前，國外對該類節(jié)點已有研究［1－2］，并成功應用于工程實踐，如日本2003年建成的Kinokawa高架橋;而國內尚無先例。因此有必要選取典型節(jié)點形式進行模型試驗，以評估該類結構端節(jié)點較大水平推力作用下的受力性能、破壞模式以及極限承載力等情況，為西平鐵路橋梁節(jié)點的設計提供依據(jù)。本文研究的是耳板式組合節(jié)點。

1 試驗研究

1.1 試件設計

為了充分反映桁架結構在節(jié)點處的受力性能，選取西平鐵路上的后河村特大橋、馬屋涇河特大橋、太峪大橋的橋梁端節(jié)點為原型。考慮實驗室場地、加載能力、試件制作等多種因素，在保持節(jié)點兩鉸支座之間距離為2053 mm、試件高度為2308 mm的情況下，其余構件按1∶3縮尺設計。節(jié)點如圖1所示，弦桿配筋圖見圖2。試驗中采用的混凝土為C50、鋼材為Q345，耳板與腹桿焊接，耳板與連接板采用M22高強螺栓連接，均與實際結構一致。節(jié)點試驗前，對鋼材進行了標準試件的材性試驗，鋼材的屈服強度、極限強度等性能見表1［3］。

為確保結果準確，分別對2個相同的試件進行試驗。

表1 各材料性能表Table 1 The properties of material

1.2 加載裝置和加載制度

節(jié)點試驗基本加載方式有2種，一是以桁架整體結構為加載對象;二是采用反力架和千斤頂對試驗節(jié)點直接加載。本文的試驗采用第2種加載方法，利用油壓千斤頂對弦桿一端進行水平力單調靜力加載。如圖3所示，試驗采用地錨式自平衡體系，試件固定在型鋼混凝土底座上。同時為了盡量避免弦桿側移對節(jié)點性能的影響，在弦桿兩側增加了豎向支撐桿和側向支撐滑輪。試驗過程采用分級加載制度，在初始階段，每級荷載為400 kN，在2000～3000 kN區(qū)間，按200 kN每級進行加載，3000 kN到破壞，每級荷載減為100 kN。

圖1 節(jié)點構造圖Fig.1 Joint details

圖2 弦桿配筋圖Fig.2 The reinforcement of chord

圖3 試驗裝置及試件Fig.3 Test set－ up and specimen

1.3 測試方案

試驗中弦桿和內置鋼筋的受力狀況通過布置于其上的單向應變片了解;在弦桿核心區(qū)、腹桿和耳板上布置了三向應變片來考察該區(qū)域應力分布情況和應變發(fā)展規(guī)律;同時為監(jiān)控節(jié)點整體受力情況，在弦桿、底座、腹桿端部均布置了豎向和水平向位移計［4－7］。由于節(jié)點破壞主要發(fā)生在弦桿核心和受壓腹桿處，本文只給出了區(qū)域的應變片布置圖(見圖4)。

2 試驗結果

2.1 試驗現(xiàn)象

以試件一為例，當荷載加到1800 kN時，所有應變測點均處于彈性狀態(tài)，弦桿、腹桿荷載位移曲線呈線性關系。當加載到2000 kN時，首先觀測到弦桿混凝土出現(xiàn)裂縫，分別發(fā)生在腹桿角偶處和節(jié)點核心位置。其中節(jié)點核心區(qū)域裂縫開裂方向與試件弦桿軸向約為40°夾角，開裂速度較快，且隨著荷載等級等級增大，多條平行裂縫相繼出現(xiàn)(圖5(a))，同時兩腹桿間也出現(xiàn)與弦桿方向一致的裂縫。當加載至3000 kN時，角隅處裂紋與混凝土表面裂縫連通，同時受壓腹桿測點開始屈服;當加載至3500 kN時，弦桿表面裂縫沿水平方向向加載端快速開展，核心區(qū)縱向鋼筋、箍筋、彎起鋼筋部分測點開始屈服，受拉腹桿測點進入塑形;當加載至3700 kN時，在弦桿加載遠端靠近豎向支撐處出現(xiàn)兩條豎向裂紋，并貫穿混凝土背面，受壓腹桿發(fā)生局部失穩(wěn)(圖5(b))?？紤]到弦桿混凝土表面的裂縫已開展至較大程度，且受壓腹桿屈曲嚴重，加載至3800 kN時，停止了試驗加載。荷載撓度曲線見圖6。

圖4 應變片布置示意圖Fig.4 Strain gauge location for joint

圖5 試件破壞特征Fig.5 Failure mode of specimen

2.2 破壞特征和節(jié)點承載力

從試驗可知，節(jié)點的破壞特征有:(1)弦桿混凝土大面積開裂破壞;(2)節(jié)點核心區(qū)內置鋼筋屈服;(3)受壓腹桿屈曲破壞;(4)受拉腹桿較大范圍塑形破壞。

表2給出了2個試件弦桿的荷載位移數(shù)值?？梢钥闯?，試件一和試件二的極限承載力分別是380 kN和350 kN，此時，節(jié)點內大部分測點已進入塑性，弦桿混凝土表面大面積開裂，受壓腹桿出現(xiàn)明顯的凹凸現(xiàn)象，甚至引起腹桿側面撕裂。由于在節(jié)點整體屈服以前，受壓腹桿就已經(jīng)進入屈服狀態(tài)，因此壁厚過小的腹桿成為節(jié)點的主要薄弱環(huán)節(jié)，它對節(jié)點承載力［8］的影響應再深入探討。

表2 弦桿荷載位移數(shù)值表Table 2 The load－displacement number of chord

3 有限元分析

3.1 有限元分析模型

采用有限元分析［9－10］軟件ANSYS對試件進行分析，有限元模型尺寸和邊界條件按照試驗建立，加載方式采用荷載控制。模擬過程中，按實際測得位移對模型中鋼腿處位移給與放松，并對試驗中施加拉桿的混凝土表面進行豎向約束?；炷?、剪力鋼筋和耳板都采用八節(jié)點減縮積分格式的三維實體單元(SOLID45)，鋼筋采用三維桿性單元(LINK8)，鋼腿和鉸接部分采用彈塑性殼單元SHELL81。試件有限元分析模型見圖7。各材料的本構關系是對節(jié)點試驗時所采用的材料經(jīng)力學性能試驗測定、材料說明和材料經(jīng)驗公式推算而來。

圖6 試件有限元模型Fig.6 The finite model

圖7 弦桿荷載位移比較曲線Fig.7 Comparison of load － displacement curve

3.2 結果對比分析

圖6給出了試件加載遠端部荷載位移曲線試驗實測值和有限元結果的比較，圖8給出了部分測點應變強度實測值和有限元結果的比較;從中可以看出，有限元結果和試驗結果吻合較好，可以利用該模型進一步了解腹桿對節(jié)點承載力的影響。

圖8 試件部分測點應變強度實測值與有限元值比較Fig.8 Comparison of strain for specimen

3.3 腹桿對節(jié)點承載力的影響

圖9給出的是其他參數(shù)不變的情況下，不同腹桿厚度(t=12，14，16，18，20)狀態(tài)下節(jié)點的荷載位移曲線。如圖所示，隨著腹桿厚度的增加，節(jié)點彈性階段的剛度略有增大，屈服強度明顯提高。但計算表明，當荷載達到5500 kN后，即使腹桿厚度繼續(xù)增大，弦桿仍出現(xiàn)明顯變形，核心區(qū)和加載端的內置鋼筋屈服，連接板也大面積進入塑形，因此可認為此時節(jié)點的承載力不再由腹桿厚度控制。

圖9 不同腹桿厚度狀態(tài)下節(jié)點的荷載位移曲線Fig.9 Load － displacement curves in different thickness of braces

4 結論

(1) 采用的節(jié)點試驗模型和試驗加載方法模擬了節(jié)點原型的幾何和受力狀況，試驗結果能夠較好地反映實際結構的節(jié)點性能。

(2) 節(jié)點的薄弱環(huán)節(jié)和破壞模式主要有弦桿混凝土的開裂破壞、受壓腹桿屈曲破壞、受拉腹桿較大范圍塑性破壞和節(jié)點核心區(qū)內置鋼筋屈服。

(3) 腹桿寬厚比對節(jié)點受力性能有較大影響，適當增加腹桿厚度有助于完善整個節(jié)點的性能和進一步提高節(jié)點極限承載力。

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