空间网架结构钢管混凝土柱节点力学性能足尺试验及分析.pdf
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1、第 3 5卷 第 6期 2 O 1 3年 1 2月 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 J o u r n a l o f Ci v i l 。Ar c h i t e c t u r a l& E n v i r o n me n t a I En g i n e e r i n g Vo l _ 3 5 No 6 De c 2O 13 d o i : 1 0 1 1 8 3 5 j i s s n 1 6 7 4 4 7 6 4 2 0 1 3 0 6 0 1 2 空间网架结构钢管混凝土柱节点力学 性 能足 尺试 验及 分析 李明方 , 蔡元 奇 , 卢云祥。 ,娄 泽方 ( 1 武汉科技
2、 大学 理 学院,武 汉 4 3 0 0 6 5 ; 2 武汉大学 土木建筑工程 学院, 武汉 4 3 0 0 7 2 ; 3 贵 州省建筑科 学研 究检测 中心, 贵 阳 5 5 0 0 0 6 ; 4 中信 建筑设计研 究总院有 限公 司,武汉 4 3 0 O 1 4 ) 摘 要 : 采 用足 尺试 验 与数 值 仿 真相 结 合 的 方法研 究 空 间网 架结 构 中的钢 管混凝 土 柱 节点 的 受 力 及 抗震 性 能 。试 验荷 栽逐 级加 载到 设计 荷载 的 l _ 6 倍 并观 测柱 节 点 的 变形 与应 力 。试验 结 果表 明 试 验荷 载 下柱 节点钢 结构 部分 基
3、本 处 于弹性 状 态 , 混凝 土极 小部 分 区域超 出压应 力极 限 , 钢 管与 混 凝土粘接 良好 。非线性有限元分析结果揭示了柱节点在低周往复荷载作用下的滞回耗能能力和破 坏特征 , 指 出了柱 节点承载的薄弱位置 , 给 出了柱 节点的极 限承载力。结果表 明, 足尺试验与数值 计算相结合的方法可以全面揭示柱节点的受力特性及抗震性能。 关 键词 : 钢 管混凝 土 柱节 点 ; 足 尺试 验 ; 非线性 有 限元 ; 极 限承载 力 ; 滞 回耗 能能力 中图分 类号 : T U3 7 5 3 文献标 志码 : A 文 章编 号 : 1 6 7 4 4 7 6 4 ( 2 0 1
4、 3 ) 0 6 0 0 7 3 0 9 Fu l l S c a l e Te s t a n d An a l y s i s o f S t e e l Tu b u l a r Co l u mn M e c ha ni c a l Be ha v i o r o f Co n c r e t e Fi l l e d No d e i n S pa c e Tr u s s S t r u c t u r e Li M i n g f a n g ,Cai Y u an q i 。 ,Lu Yu n x i an g。 ,Lo u Ze f an g ( 1 Co l l e g e
5、 o f S c i e n c e ,W u h a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y,W u h a n 4 3 0 0 6 5,P R Ch i n a ; 2Sc ho ol o f Ci vi l En gi ne e r i n g,W u ha n Uni v e r s i t y,W uha n 43 00 72,P R Chi na; 3Co ns t r u c t i on Sc i e nt i f i c Re s e ar c h Te s t i ng Ce nt e
6、r o f Gui z h ou Pr ov i nc e,Gu i y a ng 55 0 006,PRChi na; 4 CI TI C Ge n e r a l I n s t i t u t e o f Ar c h i t e c t u r a l De s i g n a n d Re s e a r c h Co ,Lt d ,W u h a n 4 3 0 0 1 4,P R Ch i n a ) Ab s t r a c t : To i n v e s t i g a t e me c h a n i c a 1 b e h a v i o r a n d s e i s
7、 mi c b e h a v i o r o f c o n c r e t e f i l l e d s t e e l t u b u l a r c o l u mn no de ( CFSTCN ) i n s pa c e t r us s s t r u c t u r e, bo t h f u l l s c a l e t e s t a nd Fi ni t e El e me nt M e t ho d ( FEM ) we r e e mpl o ye dThe t e s t l oa d wa s 1 6 t i me s o f de s i g n l o
8、a d a nd b y i nc r e me nt a l s t e p l o a d i ng M e a n whi l e。s t r e s s a nd d e f or ma t i o n i n CFSTCN we r e o bs e r v e d t o mon i t o r be a r i ng c a p a c i t y o f t h e no d e The r e s u l t s s ho w t ha t s t e e l t u bu l a r wo r ks i n e l a s t i c s t a t e a nd a s
9、m a l l pa r t o f c o nc r e t e be y on d o f c o mpr e s s i ve s t r e s s l i mi t s;s t e e l t u b e a n d c o n c r e t e a d h e s i v e we l 1 Th e h y s t e r e t i e e n e r g y d i s s i p a t i o n c a p a c i t y a n d f a i l u r e mo d e u n d e r c y c l i c l oa di n g we r e r e
10、v e a l e d b y n on l i ne a r FEM we a ke s t p os i t i o n a n d u l t i ma t e be a r i ng c a pa c i t y o f t he no de we r e o bt a i ne d f r om FEM r e s ul t s The m e t ho d o f c o m b i ni n g f u l l s c a l e t e s t a nd FEM c a n we l 1 r e v e a l t he me c h a ni c a l be h a v i
11、 or a nd t he s e i s mi c be ha v i o r o f t he n od e Ke y wo r d s:c o nc r e t e f i l l e d s t e e l t ub ul a r c o l umn no de ; f ul l - s c a l e t e s t ; n on l i ne a r f i ni t e e l e me n t m e t ho d: ul t i m a t e b e a r i n g c a pa c i t y;hy s t e r e t i c e ne r gy d i s s
12、i p a t i o n c a pa c i t y 收稿 日期 : 2 0 1 2 - 0 8 1 0 基金项 目: 中央高校基本科研业务费专项资金 ( 2 0 1 1 2 1 0 0 2 0 2 0 0 0 4 ) ; 湖北省交通厅基金项 目( 2 0 1 2 8 5 7 2 1 6 ) 作者简介 : 李 明方( 1 9 8 3 一 ) , 男 , 博 士 , 主要从事结构流 固耦合数值仿真研究 , ( E - ma i l ) w h u l mf w h u e d u e n 。 蔡 元奇( 通信作者) , 男 , 教授 , 博士生导师 , ( E ma i l ) c a i
13、y u a n q i y e a h n e t 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6 期 李 明方 , 等 : 空 间 网架结构 钢 管混凝 土柱 节 点力 学性 能足 尺 试验及 分析 7 5 靠性做 出评价 ; 通过足尺试验检验柱节点 的设计 与 施 工质 量 ; 通 过 对 足 尺模 型在 设 计 荷 载 下 的变 形 与 应 力观测 , 了解节 点在 正 常工作 状 态下 的受力 机 理 , 直接了解节点的实 际承载情况 , 借 以判断其实 际承 载能力 , 得到安全储备能力 ,
14、保障结构安全。 2 ) 通过数值仿真分析钢管混凝土柱节点在低周 往复荷载作用下的受力性能 , 尤其是分析柱节点进 入 塑性 后 的工 作 状 态 、 破 坏 形 式 和 破 坏 机 理 。对 于 受 力 复杂 的钢 管 混凝 土柱 节 点 , 只有 进 行 弹塑 性 分 析 , 才 能从 本质 上 了解节 点 的受力 性 能 , 从 而 得 到 钢 管混凝土柱节点的极限承载力及其影响因素。 表 1 Q 3 4 5钢管材料特性参数 2 足尺试 验 2 1加载 系统及试 验模 型设 计 钢节点试验中的关键环节是设计 出安全可靠的 加载系统 , 其中包括反力装置、 加载设备 、 加载控 制 系统 和
15、加 载方案 等 。本次 试验 的反 力 装 置 主要 利用 武汉大学结构试验大厅三面 L型反力墙和大型承力 架 。把试件放在大型承力架 的空间 内, 综合利用 L 型反力墙和大型承力架, 可以实现 多杆件任 意角度 同时加载 。试验加载设备 主要为液压加载设备 , 有 手动 液压 加载 器 、 电动 液 压 加 载器 和 液 压伺 服操 作 平 台 , 并配 合 与之 匹配 的单 向液压 千 斤 顶 和 双 向 液 压张 拉顶 。 柱节 点试 件采 用 1: 1 足 尺试 件 , 试 件 制作 标 准 与实 际工程 中的节点 相 同 。试 验 中为 了减 小加 载 装 置对试 验节 点 应 力
16、分 布 的影 响 , 各 支 管 均 取 一 定 的 外伸尺寸 , 外伸尺寸结合反力墙、 反力架 和加载装置 的尺寸综合确定得到。支管端加封头板和加劲肋 , 以保证节点在加载过程中不会 因杆端局部集中受力 而首先破坏。各支管尺寸如表 2 所示。 2 2应 变及 位移 测点 布置 应变 片测 点共 分 四类 , 总计 2 0 9个 测 点 , 如 图 3 和 图 4所 示 。第 一类 测 点监 测 各 支 管 的轴 力 , 采 用 单 向应变 片 , 测 点 编 号 S 1 $ 3 2 。第 二 类 测 点 监 测 柱节 点钢 管壁 上 的应 力 , 采用 应变 花 , 测点 布 置在 各 支管
17、 与柱 相交 的焊缝 附近 , 沿 柱各 高程 ( 距 试件 柱 脚 0 7 、 1 7 、 3 5 、 4 7和 5 7 m) 亦 布 置测 点 , 测 点 编 号 T1 T3 2和 T3 7 T5 5 。第三类测点监测各支管耳 板上 的应 力 , 采用 应 变 花 , 测 点 编号 T 3 3 T3 6 。第 四类测 点 监 测 柱 节 点 内部 连 接 板 应力 , 编 号 S B 1 S B 6和 TB 1 TB 2 , 浇注 混凝 土 后 , 第 四类 测 点被 混 凝 土包 围 。 柱节 点 试 件 和 千 斤 顶 均 由 螺 栓 固定 在 反 力 墙 上 , 试验过程 中试件和千
18、斤顶可能会滑动 , 产生刚体 位移 , 导 致加 载 偏 心 等 问题 。为此 在 柱 节 点 试 件 的 底部 、 中部和 顶部 布置位 移测 点进 行监 测 , 底 部测 点 采用 电子 位 移计 , 测 点 编号 Wl w2 , 中部 和顶部 采 用全站仪 , 测点编号 Q1 Q 2 , 位移测点布置如图 4 所示 。加载偏心可能使受压杆件失稳 , 不能达到试 验 目的 , 4 #支 管 受 压 荷 载 较 大 , 杆 件 最 长 , 因 此 在 4 #支管 中部 布 置 两个 位 移 测 点 监控 压杆 的加 载 状 况 , 采用 电子 位移 计 , 测 点编 号 W3 w4 。 表
19、2 试 件各支管尺寸、 荷载及 加载方式 杆件编号 直径 mm 壁厚 ram 试验荷载 k N 加 载装置 加载控制 杆件长 ram 9 0 2 1 1 0 0 T单 向顶 1 0 0 T传感器 2 3 3 5 1 5 T单 向顶 6 O T张拉顶 2 5 0 T单 向顶 2 3 0 0 T单 向顶 2 1 0 0 T 张拉 顶 3 O T单 向顶 1 5 T张拉顶 1 0 T传感器 6 0 T传感器 3 0 0 T传感器 2 3 0 0 T传感器 2 1 0 0 T传感器 3 0 T传感器 1 0 T传感器 1 2 3 4 5 6 7 8 柱 学兔兔 w w w .x u e t u t u
20、 .c o m 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第3 5卷 图 3钢管柱 外表面应变片测点布置 图 图 4 钢管柱 内部连接板上应变片测点及 柱 节点位移 测点布置 图 2 3 加 载 根据 规范 l 1 , 钢 节点 做检 验 性试 验 时 试 验 荷 载 不应 小 于荷载 设计 值 的 1 6 倍 。综 合 实验 室 的加 载 条件 , 试 验荷 载取 为 1 6 倍 最 不 利 工 况 下 的 设计 荷 载 , 加载方式为单调加载 。最 不利荷载工况为温度 荷 载与 恒载组 合 的工 况 。在 此 试 验 荷 载作 用 下 , 最 大荷载 约为 4 7 6 t , 已 接 近 实验
21、室加 载 的极 限 条 件 。 柱 脚 以 1 0个 螺 栓 固定 于地 面反 力 墙 上 , 如 图 5所 示 , 各杆 件均 采用 液压 千斤顶 主动 加 载 , 并根 据试 验 荷载选 择合 适 的 千斤 顶 和 力传 感 器 , 各 支 管 试 验 荷 载及加 载方 式如 表 2 所 示 。 后 预加 载 2 0 , 以消 除 安 装 间 隙 , 同时 调 试 测 试 系 统和应变片工作状态。预加载时密切观测杆件上单 向应 变计 的应 变 , 逐步 调整加 力点 位置 , 直 到各 支杆 中部截 面各 应 变一 致 为 止 。预 加 载 完 成后 , 对测 试 系统 调零 开始 试 验
22、 ; 共 分 1 9级 同步加 载 , 其 中第 1 4 级为设 计荷 载 。每级 加 载完 成 后 停 留 1 0 mi n , 再 采 集数 据 。加 载 到最 大试 验荷 载 并 完 成 数 据 采 集后 , 进行分级卸载 , 完全卸载后采集各测点残余应变。 3 试验数据分 析 3 1 荷 载校核 试验 过程 中为 了确保 每个支 管 上施 加 的荷 载达 到设计要求 , 在各支管中部布置 4个相差 9 0 。 、 沿杆 轴 向 的单 向应 变 片来 监测 支管 上实 际轴 力 。轴 力计 算 采用 线弹性 理论 , 应变 取 4 个 应 变片 的平 均值 , 这 样 可 以有 效消 除
23、弯矩 的影 响 。轴 力 的监 测结 果 如 图 6 所示 。从 图 6可见 , 各支 管在试验 中测得的轴力 与设计 值基本 吻合 , 说 明试验 达到 了设 计要 求 , 其结 果可靠 。 位 移测 点监 控 的位移 数 据 如 图 7所示 。由 图 7 可见 , 柱节点底 部 的测 点位移值 很小 , 最 大约 1 5 mm, 可 以判 定试 验 过 程 中试 件 没 有产 生 刚 体 位 移 。 其他各测点位移变化平稳 , 无跳跃 , 最大位移不超过 1 5 mm, 没有 出现 失 稳 现 象 , 试 验 满 足 相 关 规 范 要 求 1 , 加载过程可靠。由柱节点的位移监测数据可
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