王 萌 (中國(guó)石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266555)

銀永明 (中原石油勘探局勘察設(shè)計(jì)研究院，河南 濮陽(yáng) 457001)

陳 譽(yù) (中原石油勘探局勘察設(shè)計(jì)研究院，河南 濮陽(yáng) 457001；華僑大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

高勝偉 (華僑大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

橫截面為矩形的圓鋼管混凝土桁架整體性能試驗(yàn)研究

王 萌 (中國(guó)石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266555)

銀永明 (中原石油勘探局勘察設(shè)計(jì)研究院，河南 濮陽(yáng) 457001)

陳 譽(yù) (中原石油勘探局勘察設(shè)計(jì)研究院，河南 濮陽(yáng) 457001；華僑大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

高勝偉 (華僑大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

對(duì)橫截面為矩形的圓鋼管混凝土桁架進(jìn)行了三分點(diǎn)單調(diào)加載試驗(yàn)研究，實(shí)施了一個(gè)橫截面為矩形的上弦灌混凝土圓鋼管桁架整體抗彎承載力試驗(yàn)。介紹了桁架整體性能的試驗(yàn)方案，揭示了結(jié)構(gòu)整體破壞形象和節(jié)點(diǎn)破壞模式，給出了加載點(diǎn)荷載-跨中位移曲線。試驗(yàn)研究結(jié)果表明，右邊桁架有較大的變形；位移較小時(shí)，加載點(diǎn)荷載與跨中位移基本成線性關(guān)系，后期彈塑性階段比較明顯，試件具有較好的整體延性。

圓鋼管混凝土桁架；荷載；跨中位移

圓鋼管具有截面各向等強(qiáng)、無(wú)弱軸、抗扭剛度大、密閉防銹性能好以及輕巧、簡(jiǎn)潔、美觀的特點(diǎn)，同時(shí)外壁圓滑，在風(fēng)和水力作用下具有較小的阻力系數(shù)，表面也難堆積灰塵和水， 端部封閉后，內(nèi)部不易銹蝕，具有較好的防腐性能。它的應(yīng)用非常廣泛，如房屋建筑、 橋梁、 海洋構(gòu)造物等[1-2]。但隨著荷載和跨度的增大，此類結(jié)構(gòu)的應(yīng)用受到限制，如果在桁架弦管內(nèi)填充混凝土可改善鋼管桁架的結(jié)構(gòu)性能[3-4]。

在圓鋼管桁架體系中，在桁架受壓較大的主管中填充混凝土可以充分利用混凝土受壓性能，提高桁架的整體剛度和強(qiáng)度，降低桁架的高度，滿足建筑凈空的使用要求，并且可以防止鋼管內(nèi)部銹蝕和增強(qiáng)耐久性[5-6]。下面，筆者主要通過(guò)試驗(yàn)探討了橫截面為矩形的圓鋼管混凝土桁架的受力性能、破壞模式、靜力極限承載力。

1 試驗(yàn)方案

1.1試件設(shè)計(jì)

桁架全長(zhǎng) 3130mm，計(jì)算跨度3000mm，寬400mm，高 400mm，高跨比為1∶7.5, 高寬比為1∶1，節(jié)間距500mm。弦桿為?89mm×2.5mm，斜腹桿為?50mm×2.0mm，直腹桿及橫向支撐桿件均為?40mm×1.8mm，如圖1所示。試件中所有材料及連接板均采用Q235鋼材。

所有試件節(jié)點(diǎn)均采用鋼管直接焊接節(jié)點(diǎn)，手工焊接采用E43系列型焊條。節(jié)點(diǎn)處的相貫線焊縫分為3個(gè)區(qū)域：A區(qū)域采用對(duì)接焊縫，B、C區(qū)域采用角焊縫；2側(cè)面為過(guò)渡區(qū)，即由角焊縫過(guò)渡至部分熔透的剖口焊縫，如圖2所示。

1.2試驗(yàn)加載裝置、加載制度

試驗(yàn)時(shí)整個(gè)桁架試件平面平行于實(shí)驗(yàn)室地槽方向放置，桁架支座與實(shí)驗(yàn)室支座之間用滾軸連接。4個(gè)桁架在框架節(jié)點(diǎn)的上端部4個(gè)節(jié)點(diǎn)施加向下的靜力荷載。該試驗(yàn)通過(guò)100t千斤頂施加向下荷載，以此在桁架中腹桿和弦桿內(nèi)產(chǎn)生軸力，其中荷載力傳感器為50t。將千斤頂置于試件上的加載點(diǎn)的正上方進(jìn)行加載，通過(guò)事先標(biāo)定的傳感器測(cè)度千斤頂油壓荷載。

圖1 桁架試件簡(jiǎn)圖

圖2 圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)焊接示意圖

表1 桁架試件的單調(diào)加載制度

試驗(yàn)加載時(shí)首先進(jìn)行試件的幾何對(duì)中，然后預(yù)加荷載進(jìn)行物理對(duì)中，卸去預(yù)加荷載，儀表清零后進(jìn)行單調(diào)分級(jí)加載。試件在單調(diào)靜力加載時(shí)，在試驗(yàn)桁架的上弦桿上部施加向下豎向荷載。試驗(yàn)前對(duì)桁架試件進(jìn)行了單調(diào)荷載下的有限元預(yù)分析，根據(jù)預(yù)分析結(jié)果制定了加載分級(jí)為：預(yù)加載階段每10kN一級(jí)，共加3級(jí)；正式加載階段每10kN一級(jí)，共加9級(jí)，最后連續(xù)加載至破壞。實(shí)際控制時(shí)根據(jù)測(cè)點(diǎn)反饋，對(duì)分級(jí)加載上限進(jìn)行調(diào)整。具體加載制度見(jiàn)表1。

整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)包括試驗(yàn)加載及測(cè)試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)，其框圖和主要設(shè)備規(guī)格如下：

1) 主要設(shè)備及測(cè)試儀器型號(hào) DH3816數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；BF-120-2A電阻應(yīng)變計(jì)；YHD-50、YHD-30型、YHD-100型位移傳感器；YQ-320液壓千斤頂、YQ-500液壓千斤頂、YQ-100液壓千斤頂。試驗(yàn)中位移傳感器用萬(wàn)向磁性支架固定在不動(dòng)體上。YHD-50、YHD-100型電子位移傳感器靈敏度為200με/mm，最大量程為50和100mm，精度達(dá)到1με。YHD-30型電子位移傳感器靈敏度為300με/mm，最大量程為30mm，精度達(dá)到1με。

2) 試驗(yàn)系統(tǒng)流程圖 試驗(yàn)系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)流程圖

當(dāng)達(dá)到最大加載荷載時(shí)斜腹桿下端與直腹管間的焊縫熱應(yīng)力區(qū)的母材沿下弦管管壁被拉開(kāi)，直腹管下端的凹進(jìn)變形明顯增大，節(jié)點(diǎn)下弦管壁均出現(xiàn)較大程度的塑性變形，同時(shí)節(jié)上弦管壁底面上直腹管與斜腹管間的焊縫熱應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)明顯的裂紋，如圖4所示。圖5中給出了試件的靜力荷載與桁架跨中位移的關(guān)系曲線，圖中的縱坐標(biāo)為施加在桁架上的荷載總值(即為施加在桁架上弦桿加載板上的千斤頂荷載)，橫坐標(biāo)為桁架跨中節(jié)點(diǎn)處的位移。豎向荷載、跨中位移均以向下為正，向上為負(fù)。由圖5可見(jiàn)，位移較小時(shí)，加載點(diǎn)荷載與跨中位移基本成線性關(guān)系，后期彈塑性階段比較明顯，試件具有較好的整體延性。

圖4 整體破壞照片

圖5 加載荷載-跨中位移

3 結(jié) 論

1)節(jié)點(diǎn)破壞現(xiàn)象包括斜腹桿下端與直腹管間的焊縫熱應(yīng)力區(qū)的母材沿下弦管管壁被拉開(kāi)，直腹管下端的凹進(jìn)變形明顯增大，節(jié)點(diǎn)下弦管壁均出現(xiàn)較大程度的塑性變形，同時(shí)節(jié)上弦管壁底面上直腹管與斜腹管間的焊縫熱應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)明顯的裂紋。

2)從整體上看，桁架右邊有較大的變形。

3)位移較小時(shí)，加載點(diǎn)荷載與跨中位移基本成線性關(guān)系，后期彈塑性階段比較明顯，試件具有較好的整體延性。

[1]沃登尼爾 J.鋼管截面的結(jié)構(gòu)應(yīng)用[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2004.

[2]陳寶春,黃文金.圓管截面桁梁極限承載力試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2006, 28 (3) : 31-36.

[3]黃文金,陳寶春.腹桿形式對(duì)鋼管混凝土桁梁受力性能影響的研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2009,30(1)：55-61.

[4]劉永建，劉君平，楊根杰，等.主管內(nèi)填充混凝土矩形鋼管桁架受力性能試驗(yàn)研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2009,30(3):107-112.

[5]劉永建, 劉君平, 張俊光.主管內(nèi)填混凝土矩形和圓形鋼管桁架受彎性能對(duì)比試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2010,31(4):86-93.

[6]鄭文忠，柳旭東, 張博一. 灌漿圓鋼管桁架-混凝土組合梁試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2009,30(1):15-22.

[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.02.038

TU392.3

A

1673-1409(2012)02-N116-03

2011-10-28

海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目(LP0705)。

王萌(1990-)，女，2009年大學(xué)入學(xué)，現(xiàn)主要從事土木工程方面的學(xué)習(xí)。

陳譽(yù)(1978-)，男，1998年大學(xué)畢業(yè)，博士(后)，副教授，現(xiàn)主要從事鋼結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)方面的教學(xué)與研究工作。