钢管节点不同加载形式试验研究

陈　鹏，项端阳，黄　剑

（1.黄山学院 建筑工程学院，安徽 黄山245041；2.黄山市建工集团有限公司，安徽 黄山245000）

钢管节点不同加载形式试验研究

陈鹏1，项端阳2，黄剑1

（1.黄山学院 建筑工程学院，安徽 黄山245041；2.黄山市建工集团有限公司，安徽 黄山245000）

空间结构的特点是杆件数量多，拼接复杂。空间结构的性能优越性主要取决于连接节点性能的优越性。通过对钢管相贯节点的试验研究，结果表明极限承载力大小在两种加载形式下区别不大，从破坏特征和延性两方面的比较结果可以看出主管受力情况下表现更加优越。

钢管结构；钢管搭接节点；极限承载力

任何一种结构节点的性能决定整体结构的性能，空间管桁结构也如此。目前，数控切割技术的进一步发展，尤其是3D打印技术的发展，对于节点的制作误差控制的越来越精细。偏心和焊接这两个影响节点性能的主要因素也得到了很好的解决；随着科学技术和经济的发展，越来越多的建筑结构开始采用大跨度和复杂空间结构，结构形式的多样化同样使结构自身的性能就显得尤为重要。多遇地震下节点的性能决定整体结构的安全性，因此无论何种形式的节点都必须保证足够的安全性能。静力作用下此类节点性能的研究很充分，同样对于这类节点高度疲劳作用下的性能表现也取得了一定成果。较早开展静力性能试验研究的是赵宪忠，陈誉等［1］，他们根据不同影响因素设计了10个不同的节点试件并逐一开展了平面K型圆钢管搭接节点的试验。对比了这10个试件的破坏模式，从节点的力学行为讨论了这10种节点的荷载大小，并从节点的内隐藏焊缝焊接与否、主支管施工时的搭接顺序、焊脚尺寸大小这3个方面来比较节点极限承载力。

K型钢管节点的节点形式比较简单，结构中使用频率最高，因此对这类节点国内外学者进行了大量的试验研究。这类试验主要是建立在静力学基础上的，通过对不同影响因素下节点极限承载力进行比较，得到一些有利的设计参数。但是空间结构还必须考虑整体的动力性能，因此有人提出用有限元法来分析节点的动力性能。吴捷，蒋剑峰等［2］最先提出用非线性有限元分析方法研究不同搭接率下K型圆钢管搭接节点的受力性能，依次考虑了搭接顺序、主管径厚比、支主管直径比和管厚度以及内隐藏焊缝有无这5个方面对K型节点性能的影响并做了相应的量化分析。在进行计算机模拟分析的同时，武振宇等［3］利用拟静力试验方法研究了相对复杂些的平面Y型方管节点的滞回性能并与理论分析进行对比。最终借助计算机有限元方法总结分析节点的破坏机理，并在动力作用下量化分析了此类节点的变形能力和耗能能力。

主管直接作用周期荷载是在进行节点试验研究时优先选用的，因为主管受力更接近实际情况，但是随着建筑结构的复杂化，这种情况不再绝对化，因此需要考虑不同加载形式下节点的静力与动力性能，同样不同的边界条件对节点的性能也存在不同程度的影响。基于这两种情况，设计了两个不同基本试件，在相同的边界条件和主支管形参数相同的情况下分别在主管加载和支管加载两种形式下开展试验研究，通过实验结果分析比较节点极限承载力，并从不同的破坏特征来寻找有利的设计参数。

1　试件设计

从国际管结构试验数据库中的NO.K-522试件［4］参数作为参考数据设计试验试件的几何尺寸，表1列出了设计节点的具体参数，其中D、T分别表示主管的外径和厚度；d、t分别用来表示支管外径和厚度；e则表示节点的偏心距；主支管间的交角则用θ表示；两支管之间搭接空隙的长度用符号g表示；图1为节点示意图。

表1　K型节点基本设计数据

图1　K型搭接节点试验试件

2　试验设计

2.1加载设备

试验基本加载装置如图2所示，两种不同加载形式分别为支管固定主管受力和主管固定支管受力。荷载都为逐级递加的往复荷载，通过试验得到节点的极限承载力和变形。

图2　试验加载设备图

2.2测试方案

根据本试验的目的主要采集的数据包括施加荷载、加载点的位移、节点局部变形、节点域应变分布等。具体量测中应变片及位移计的布置如图3所示。

图3　节点应变片与位移计布置图

3　试验结果

图4给出了主管加载和支管加载两种不同加载形式下K型搭接节点的破坏特征图，通过图的对比可以看出，在主管加载情况下，节点破坏发生在支管的支座位置附近，最终的破坏特征为受压支管的受压破坏。在支管加载情况下，节点破坏发生在主支管搭接位置，最终的破坏特征为受拉支管与主管搭接焊缝的破坏。

表2对主管加载和支管加载两种情况下的节点极限承载力和最大变形进行了量化分析。通过分析得出的结果是两种不同的加载形式下节点极限承载力仅相差不到10KN，相对误差为3%，说明了加载形式的影响可以忽略。从表中数据得到主管加载下变形明显大于支管加载下的变形。因此主管受力下节点的延性更好。

图4　节点破坏特征图

表2　节点极限承载力理论值与试验值对比

4结　论

主支管不同加载形式对节点极限承载力的影响可以忽略不计，但是主管加载下节点的破坏特征属于延性表现更好的受压屈曲破坏，地震作用下节点的耗能能力表现优越。而支管加载形式下节点的性能表现要差得多，破坏特征显现为搭接焊缝的直接拉断。因此节点动力分析时应选用主管加载下进行分析，节点搭接处的焊缝在设计施工时都需要保证足够的强度，以免节点发生脆性破坏。

［1］赵宪忠，陈誉，陈以一，等.平面K型圆钢管搭接节点静力性能的试验研究［J］.建筑结构学报，2006，27（4）：23-29.

［2］吴捷，蒋剑峰，戴雅萍，等.K形圆钢管搭接节点受力特点及极限承载力分析研究［J］.工业建筑，2009，39（1）：122-127.

［3］武振宇，张扬，何小辉，等.Y形直接焊接矩形钢管节点滞回性能试验研究［J］.建筑结构学报，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］陈以一，陈扬骥.钢管结构相贯节点的研究现状［J］.建筑结构，2002，32（7）：52-55.

［6］Packer J A，Henderson J E.空心管结构连接设计指南［M］．北京：科学出版社，1997：56-62．

［7］中华人民共和国建设部.GB50017-2003钢结构设计规范［S］．北京：中国计划出版社，2003：97-99.

责任编辑：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

黄山学院自然科学研究项目（2013xkj015）

陈鹏（1987-），安徽黄山人，黄山学院建筑工程学院助教，研究方向为大跨度空间结构。