陳　鵬，項(xiàng)端陽(yáng)，黃　劍

（1.黃山學(xué)院 建筑工程學(xué)院，安徽 黃山245041；2.黃山市建工集團(tuán)有限公司，安徽 黃山245000）

鋼管節(jié)點(diǎn)不同加載形式試驗(yàn)研究

陳鵬1，項(xiàng)端陽(yáng)2，黃劍1

（1.黃山學(xué)院 建筑工程學(xué)院，安徽 黃山245041；2.黃山市建工集團(tuán)有限公司，安徽 黃山245000）

空間結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是桿件數(shù)量多，拼接復(fù)雜?？臻g結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)越性主要取決于連接節(jié)點(diǎn)性能的優(yōu)越性。通過(guò)對(duì)鋼管相貫節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明極限承載力大小在兩種加載形式下區(qū)別不大，從破壞特征和延性兩方面的比較結(jié)果可以看出主管受力情況下表現(xiàn)更加優(yōu)越。

鋼管結(jié)構(gòu)；鋼管搭接節(jié)點(diǎn)；極限承載力

任何一種結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的性能決定整體結(jié)構(gòu)的性能，空間管桁結(jié)構(gòu)也如此。目前，數(shù)控切割技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，尤其是3D打印技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于節(jié)點(diǎn)的制作誤差控制的越來(lái)越精細(xì)。偏心和焊接這兩個(gè)影響節(jié)點(diǎn)性能的主要因素也得到了很好的解決；隨著科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來(lái)越多的建筑結(jié)構(gòu)開(kāi)始采用大跨度和復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式的多樣化同樣使結(jié)構(gòu)自身的性能就顯得尤為重要。多遇地震下節(jié)點(diǎn)的性能決定整體結(jié)構(gòu)的安全性，因此無(wú)論何種形式的節(jié)點(diǎn)都必須保證足夠的安全性能。靜力作用下此類節(jié)點(diǎn)性能的研究很充分，同樣對(duì)于這類節(jié)點(diǎn)高度疲勞作用下的性能表現(xiàn)也取得了一定成果。較早開(kāi)展靜力性能試驗(yàn)研究的是趙憲忠，陳譽(yù)等［1］，他們根據(jù)不同影響因素設(shè)計(jì)了10個(gè)不同的節(jié)點(diǎn)試件并逐一開(kāi)展了平面K型圓鋼管搭接節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)。對(duì)比了這10個(gè)試件的破壞模式，從節(jié)點(diǎn)的力學(xué)行為討論了這10種節(jié)點(diǎn)的荷載大小，并從節(jié)點(diǎn)的內(nèi)隱藏焊縫焊接與否、主支管施工時(shí)的搭接順序、焊腳尺寸大小這3個(gè)方面來(lái)比較節(jié)點(diǎn)極限承載力。

K型鋼管節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)形式比較簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)中使用頻率最高，因此對(duì)這類節(jié)點(diǎn)國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究。這類試驗(yàn)主要是建立在靜力學(xué)基礎(chǔ)上的，通過(guò)對(duì)不同影響因素下節(jié)點(diǎn)極限承載力進(jìn)行比較，得到一些有利的設(shè)計(jì)參數(shù)。但是空間結(jié)構(gòu)還必須考慮整體的動(dòng)力性能，因此有人提出用有限元法來(lái)分析節(jié)點(diǎn)的動(dòng)力性能。吳捷，蔣劍峰等［2］最先提出用非線性有限元分析方法研究不同搭接率下K型圓鋼管搭接節(jié)點(diǎn)的受力性能，依次考慮了搭接順序、主管徑厚比、支主管直徑比和管厚度以及內(nèi)隱藏焊縫有無(wú)這5個(gè)方面對(duì)K型節(jié)點(diǎn)性能的影響并做了相應(yīng)的量化分析。在進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬分析的同時(shí)，武振宇等［3］利用擬靜力試驗(yàn)方法研究了相對(duì)復(fù)雜些的平面Y型方管節(jié)點(diǎn)的滯回性能并與理論分析進(jìn)行對(duì)比。最終借助計(jì)算機(jī)有限元方法總結(jié)分析節(jié)點(diǎn)的破壞機(jī)理，并在動(dòng)力作用下量化分析了此類節(jié)點(diǎn)的變形能力和耗能能力。

主管直接作用周期荷載是在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究時(shí)優(yōu)先選用的，因?yàn)橹鞴苁芰Ω咏鼘?shí)際情況，但是隨著建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，這種情況不再絕對(duì)化，因此需要考慮不同加載形式下節(jié)點(diǎn)的靜力與動(dòng)力性能，同樣不同的邊界條件對(duì)節(jié)點(diǎn)的性能也存在不同程度的影響?；谶@兩種情況，設(shè)計(jì)了兩個(gè)不同基本試件，在相同的邊界條件和主支管形參數(shù)相同的情況下分別在主管加載和支管加載兩種形式下開(kāi)展試驗(yàn)研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析比較節(jié)點(diǎn)極限承載力，并從不同的破壞特征來(lái)尋找有利的設(shè)計(jì)參數(shù)。

1　試件設(shè)計(jì)

從國(guó)際管結(jié)構(gòu)試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)中的NO.K-522試件［4］參數(shù)作為參考數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)試驗(yàn)試件的幾何尺寸，表1列出了設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的具體參數(shù)，其中D、T分別表示主管的外徑和厚度；d、t分別用來(lái)表示支管外徑和厚度；e則表示節(jié)點(diǎn)的偏心距；主支管間的交角則用θ表示；兩支管之間搭接空隙的長(zhǎng)度用符號(hào)g表示；圖1為節(jié)點(diǎn)示意圖。

表1　K型節(jié)點(diǎn)基本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

圖1　K型搭接節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)試件

2　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1加載設(shè)備

試驗(yàn)基本加載裝置如圖2所示，兩種不同加載形式分別為支管固定主管受力和主管固定支管受力。荷載都為逐級(jí)遞加的往復(fù)荷載，通過(guò)試驗(yàn)得到節(jié)點(diǎn)的極限承載力和變形。

圖2　試驗(yàn)加載設(shè)備圖

2.2測(cè)試方案

根據(jù)本試驗(yàn)的目的主要采集的數(shù)據(jù)包括施加荷載、加載點(diǎn)的位移、節(jié)點(diǎn)局部變形、節(jié)點(diǎn)域應(yīng)變分布等。具體量測(cè)中應(yīng)變片及位移計(jì)的布置如圖3所示。

圖3　節(jié)點(diǎn)應(yīng)變片與位移計(jì)布置圖

3　試驗(yàn)結(jié)果

圖4給出了主管加載和支管加載兩種不同加載形式下K型搭接節(jié)點(diǎn)的破壞特征圖，通過(guò)圖的對(duì)比可以看出，在主管加載情況下，節(jié)點(diǎn)破壞發(fā)生在支管的支座位置附近，最終的破壞特征為受壓支管的受壓破壞。在支管加載情況下，節(jié)點(diǎn)破壞發(fā)生在主支管搭接位置，最終的破壞特征為受拉支管與主管搭接焊縫的破壞。

表2對(duì)主管加載和支管加載兩種情況下的節(jié)點(diǎn)極限承載力和最大變形進(jìn)行了量化分析。通過(guò)分析得出的結(jié)果是兩種不同的加載形式下節(jié)點(diǎn)極限承載力僅相差不到10KN，相對(duì)誤差為3%，說(shuō)明了加載形式的影響可以忽略。從表中數(shù)據(jù)得到主管加載下變形明顯大于支管加載下的變形。因此主管受力下節(jié)點(diǎn)的延性更好。

圖4　節(jié)點(diǎn)破壞特征圖

表2　節(jié)點(diǎn)極限承載力理論值與試驗(yàn)值對(duì)比

4結(jié)　論

主支管不同加載形式對(duì)節(jié)點(diǎn)極限承載力的影響可以忽略不計(jì)，但是主管加載下節(jié)點(diǎn)的破壞特征屬于延性表現(xiàn)更好的受壓屈曲破壞，地震作用下節(jié)點(diǎn)的耗能能力表現(xiàn)優(yōu)越。而支管加載形式下節(jié)點(diǎn)的性能表現(xiàn)要差得多，破壞特征顯現(xiàn)為搭接焊縫的直接拉斷。因此節(jié)點(diǎn)動(dòng)力分析時(shí)應(yīng)選用主管加載下進(jìn)行分析，節(jié)點(diǎn)搭接處的焊縫在設(shè)計(jì)施工時(shí)都需要保證足夠的強(qiáng)度，以免節(jié)點(diǎn)發(fā)生脆性破壞。

［1］趙憲忠，陳譽(yù)，陳以一，等.平面K型圓鋼管搭接節(jié)點(diǎn)靜力性能的試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2006，27（4）：23-29.

［2］吳捷，蔣劍峰，戴雅萍，等.K形圓鋼管搭接節(jié)點(diǎn)受力特點(diǎn)及極限承載力分析研究［J］.工業(yè)建筑，2009，39（1）：122-127.

［3］武振宇，張揚(yáng)，何小輝，等.Y形直接焊接矩形鋼管節(jié)點(diǎn)滯回性能試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2010，31（8）：63-70.

［4］Makino Y，Kurobane Y，Ochi K，et al.Database of test andnumericalanalysisresultsforunstiffenedtubular Joints［M］.Japan：Kumamoto，1996：15-20.

［5］陳以一，陳揚(yáng)驥.鋼管結(jié)構(gòu)相貫節(jié)點(diǎn)的研究現(xiàn)狀［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2002，32（7）：52-55.

［6］Packer J A，Henderson J E.空心管結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)指南［M］．北京：科學(xué)出版社，1997：56-62．

［7］中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2003：97-99.

責(zé)任編輯：胡德明

An Experimental Research of CHS K-joints Stress in Different Loading Forms

Chen Peng1，Xiang Duanyang2，Huang Jian1
（1.School of Architectural Engineering，Huangshan University，Huangshan 245041，China；2.Huangshan Construction Group Co.，LTD，Huangshan 245000，China）

Spatial structure features numerous bars and splicing complexity.The performance of spatial structure mainly depends on the performance of connecting nodes.This paper carries out an experimental study of steel pipe nodes.The results show：1.The ultimate bearing capacity under those two kinds of load forms is not significantly different.2.Through contrasting failure characteristics and ductility of the results，we know that the performance of the main pipe bearing load is superior.

steel structure；steel pipe joints；ultimate bearing capacity

TU318.1

A

1672-447X（2016）03-0058-003

2015-08-18

黃山學(xué)院自然科學(xué)研究項(xiàng)目（2013xkj015）

陳鵬（1987-），安徽黃山人，黃山學(xué)院建筑工程學(xué)院助教，研究方向?yàn)榇罂缍瓤臻g結(jié)構(gòu)。