小比例尺组合桁架内含式节点试验研究＊*

周凌宇，张 花

(中南大学土木工程学院，湖南 长沙 410075)

西安—平凉铁路的后河村特大桥、马屋泾河特大桥、太峪大桥采用钢－混凝土组合桁架结构，此结构上、下弦杆采用钢筋混凝土或预应力混凝土，并通过钢腹杆形式将上下弦连接，不仅从造型上满足了低建筑高度的结构要求，而且通过充分发挥2种材料的力学性能，改善和提高了结构强度和刚度，大幅度增强了整体的承载能力。

组合桁架在荷载作用下，端节点承受极大的水平推力，节点构型复杂多变。目前，国外对该类节点已有研究［1－2］，并成功应用于工程实践，如日本2003年建成的Kinokawa高架桥;而国内尚无先例。因此有必要选取典型节点形式进行模型试验，以评估该类结构端节点较大水平推力作用下的受力性能、破坏模式以及极限承载力等情况，为西平铁路桥梁节点的设计提供依据。本文研究的是耳板式组合节点。

1 试验研究

1.1 试件设计

为了充分反映桁架结构在节点处的受力性能，选取西平铁路上的后河村特大桥、马屋泾河特大桥、太峪大桥的桥梁端节点为原型。考虑实验室场地、加载能力、试件制作等多种因素，在保持节点两铰支座之间距离为2053 mm、试件高度为2308 mm的情况下，其余构件按1∶3缩尺设计。节点如图1所示，弦杆配筋图见图2。试验中采用的混凝土为C50、钢材为Q345，耳板与腹杆焊接，耳板与连接板采用M22高强螺栓连接，均与实际结构一致。节点试验前，对钢材进行了标准试件的材性试验，钢材的屈服强度、极限强度等性能见表1［3］。

为确保结果准确，分别对2个相同的试件进行试验。

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

1.2 加载装置和加载制度

节点试验基本加载方式有2种，一是以桁架整体结构为加载对象;二是采用反力架和千斤顶对试验节点直接加载。本文的试验采用第2种加载方法，利用油压千斤顶对弦杆一端进行水平力单调静力加载。如图3所示，试验采用地锚式自平衡体系，试件固定在型钢混凝土底座上。同时为了尽量避免弦杆侧移对节点性能的影响，在弦杆两侧增加了竖向支撑杆和侧向支撑滑轮。试验过程采用分级加载制度，在初始阶段，每级荷载为400 kN，在2000～3000 kN区间，按200 kN每级进行加载，3000 kN到破坏，每级荷载减为100 kN。

图1 节点构造图Fig.1 Joint details

图2 弦杆配筋图Fig.2 The reinforcement of chord

图3 试验装置及试件Fig.3 Test set－ up and specimen

1.3 测试方案

试验中弦杆和内置钢筋的受力状况通过布置于其上的单向应变片了解;在弦杆核心区、腹杆和耳板上布置了三向应变片来考察该区域应力分布情况和应变发展规律;同时为监控节点整体受力情况，在弦杆、底座、腹杆端部均布置了竖向和水平向位移计［4－7］。由于节点破坏主要发生在弦杆核心和受压腹杆处，本文只给出了区域的应变片布置图(见图4)。

2 试验结果

2.1 试验现象

以试件一为例，当荷载加到1800 kN时，所有应变测点均处于弹性状态，弦杆、腹杆荷载位移曲线呈线性关系。当加载到2000 kN时，首先观测到弦杆混凝土出现裂缝，分别发生在腹杆角偶处和节点核心位置。其中节点核心区域裂缝开裂方向与试件弦杆轴向约为40°夹角，开裂速度较快，且随着荷载等级等级增大，多条平行裂缝相继出现(图5(a))，同时两腹杆间也出现与弦杆方向一致的裂缝。当加载至3000 kN时，角隅处裂纹与混凝土表面裂缝连通，同时受压腹杆测点开始屈服;当加载至3500 kN时，弦杆表面裂缝沿水平方向向加载端快速开展，核心区纵向钢筋、箍筋、弯起钢筋部分测点开始屈服，受拉腹杆测点进入塑形;当加载至3700 kN时，在弦杆加载远端靠近竖向支撑处出现两条竖向裂纹，并贯穿混凝土背面，受压腹杆发生局部失稳(图5(b))。考虑到弦杆混凝土表面的裂缝已开展至较大程度，且受压腹杆屈曲严重，加载至3800 kN时，停止了试验加载。荷载挠度曲线见图6。

图4 应变片布置示意图Fig.4 Strain gauge location for joint

图5 试件破坏特征Fig.5 Failure mode of specimen

2.2 破坏特征和节点承载力

从试验可知，节点的破坏特征有:(1)弦杆混凝土大面积开裂破坏;(2)节点核心区内置钢筋屈服;(3)受压腹杆屈曲破坏;(4)受拉腹杆较大范围塑形破坏。

表2给出了2个试件弦杆的荷载位移数值。可以看出，试件一和试件二的极限承载力分别是380 kN和350 kN，此时，节点内大部分测点已进入塑性，弦杆混凝土表面大面积开裂，受压腹杆出现明显的凹凸现象，甚至引起腹杆侧面撕裂。由于在节点整体屈服以前，受压腹杆就已经进入屈服状态，因此壁厚过小的腹杆成为节点的主要薄弱环节，它对节点承载力［8］的影响应再深入探讨。

表2 弦杆荷载位移数值表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］软件ANSYS对试件进行分析，有限元模型尺寸和边界条件按照试验建立，加载方式采用荷载控制。模拟过程中，按实际测得位移对模型中钢腿处位移给与放松，并对试验中施加拉杆的混凝土表面进行竖向约束。混凝土、剪力钢筋和耳板都采用八节点减缩积分格式的三维实体单元(SOLID45)，钢筋采用三维杆性单元(LINK8)，钢腿和铰接部分采用弹塑性壳单元SHELL81。试件有限元分析模型见图7。各材料的本构关系是对节点试验时所采用的材料经力学性能试验测定、材料说明和材料经验公式推算而来。

图6 试件有限元模型Fig.6 The finite model

图7 弦杆荷载位移比较曲线Fig.7 Comparison of load － displacement curve

3.2 结果对比分析

图6给出了试件加载远端部荷载位移曲线试验实测值和有限元结果的比较，图8给出了部分测点应变强度实测值和有限元结果的比较;从中可以看出，有限元结果和试验结果吻合较好，可以利用该模型进一步了解腹杆对节点承载力的影响。

图8 试件部分测点应变强度实测值与有限元值比较Fig.8 Comparison of strain for specimen

3.3 腹杆对节点承载力的影响

图9给出的是其他参数不变的情况下，不同腹杆厚度(t=12，14，16，18，20)状态下节点的荷载位移曲线。如图所示，随着腹杆厚度的增加，节点弹性阶段的刚度略有增大，屈服强度明显提高。但计算表明，当荷载达到5500 kN后，即使腹杆厚度继续增大，弦杆仍出现明显变形，核心区和加载端的内置钢筋屈服，连接板也大面积进入塑形，因此可认为此时节点的承载力不再由腹杆厚度控制。

图9 不同腹杆厚度状态下节点的荷载位移曲线Fig.9 Load － displacement curves in different thickness of braces

4 结论

(1) 采用的节点试验模型和试验加载方法模拟了节点原型的几何和受力状况，试验结果能够较好地反映实际结构的节点性能。

(2) 节点的薄弱环节和破坏模式主要有弦杆混凝土的开裂破坏、受压腹杆屈曲破坏、受拉腹杆较大范围塑性破坏和节点核心区内置钢筋屈服。

(3) 腹杆宽厚比对节点受力性能有较大影响，适当增加腹杆厚度有助于完善整个节点的性能和进一步提高节点极限承载力。

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