圆钢管相贯节点滞回特性实验综述

葛成成

摘 要 对两种几何特征的圆钢管空间相贯节点进行了静力单调和反复加载的实验研究，设计了专用的加载装置以对试件中的杆件和节点施加较大内力。研究揭示了这类节点塑性变形沿首次塑性开展方向累积的特点，并指出单调加载曲线可以基本包覆滞回曲线。实验表明，采用相贯节点的钢管结构，其滞回特性取决于节点的滞回行为。

关键词 钢结构 相贯节点 滞回性能 实验研究 加载装置

中图分类号：TU392.3 文献标识码：A

0引言

圆钢管结构相贯节点的静力强度问题已经得到较多的研究，有关高周疲劳的机理研究也在不断深入，但是对低周反复荷载作用下相贯节点弹塑性滞回性能的研究则还未充分展开。工程中采用相贯节点的钢管结构一般并不是按照与杆件等强或超强的原则来进行节点设计的，而当建筑结构处在抗震设防区域时，较大的地震作用完全可能在结构杆件内引发超过设计内力的荷载效应。正是由于相贯节点在承载强度上具有这种与框架梁柱节点不同的特性，结构在强震作用下的整体性能更依赖于节点而非杆件，所以对相贯节点滞回性能的把握和利用就成为保证结构抗震安全性的一个非常重要的课题。

本文报告关于圆钢管相贯节点滞回性能的实验研究。研究的直接工程背景是广州国际会展中心张弦桁架。该桁架为圆钢管空间桁架，节点形式为KK形相贯节点。由于工程建造在7度设防区，节点滞回性能的研究成为结构抗震性能评价的必要一环。

1实验设计

节点加载的基本方式有两类：第一，直接以节点为加载对象；第二，以桁架结构整体为加载对象。第一种加载方式，其优点是节点受力直接，便于采用足尺试件使构造细部接近实际；缺点是试件约束条件与实际结构有一定差别，反复加载的施力方式也较难接近实际工况。大跨度桁架结构承受地震作用时，主要影响是地震的上下动分量。为了模拟这种情况，本实验研究中设计了桁架右边的悬臂部分为加载节间和作为研究对象的试验节间，用螺栓固定在左边的支承结构上。加载节间的上下弦节点安放油压千斤顶，可以进行单调加载或反复加载。将被试节点置于悬臂部分内，使得与节点相连的弦杆内力可以接近或超过实际工程结构中的最大设计轴力。

试件设计时，钢管规格、节点部位的几何尺寸、杆件的相对角度与实际结构都相同，但杆件的轴线尺寸则予以缩小，以适应实验室的加载条件。轴线缩尺后可能引起的问题是杆件内力成分的相对比例发生变化。对弦杆节点区的应力状况则影响不大。单调加载时，由安放在上弦的千斤顶施加荷载，使得被试节点的弦杆受压。加载至节点区焊缝乃至钢管发生断裂或节点发生过度塑性变形以至出现极限荷载后的下降段时停止加载。反复加载时，由安放在上弦和下弦的千斤顶交替加载。以桁架悬臂端挠度作为加载控制条件。考虑张弦桁架的弦杆受压对节点承载更为不利的特点，在反复加载中，由下往上施加荷载引起的悬臂端位移控制值略小于使节点弦杆受压时的端部位移值。

2主要实验结果

结合应变分析，在给定的节点参数下，桁架整体的弹塑性滞回变形主要源于节点部位弦杆的局部变形。各滞回环在卸载初期都存在荷载变化而位移不变的“刚性卸载”现象，主要是由于悬臂部分与支承结构部分螺栓连接的相对变形在卸载初期未能及时恢复。

腹杆测点应变在加载全程中均小于屈服应变，据此计算出腹杆轴力；沿腹杆轴线量测腹杆上的测点相对弦杆轴线的变形，从中扣除腹杆轴向变形后得到节点部位弦杆管壁变形。腹杆轴力以拉为正、以压为负，相应的节点区域弦杆管壁变形亦以凸出为正，凹进为负。

得到如下特点：（1）尽管循环过程中作用在节点部位的腹杆轴力拉压变号，但最初的塑性变形一旦发生其方向就不改变；（2）单调加载的轴力变形曲线能包覆滞回曲线。

要正确分析结构在地震作用下的非线性滞回特性，确定合适的结构计算模型是重要的。用相贯节点连接的钢管构架一般在工程结构静力分析时作为全铰接的桁架。考虑到弦杆的连续性，则半铰结构也是可行的。但在一定的几何参数条件下，相贯节点亦可作为刚性节点看待。

3节点滞回特性评价

本项实验中，具有相同几何参数的试件，无论是单调加载还是反复加载，其最终破坏特征相同。某试件弦杆管壁变形增大后最终导致受拉腹杆趾部焊缝处管壁拉裂；另外试件都是在弦杆管壁塑性变形充分发展后出现承载力极值点。综合分析，可知滞回过程对破坏模式没有显著影响。

杆件承受轴力为主的相贯节点破坏主要有两种界定方法：

（1）作用在腹杆上的轴力出现极值点，称为极限强度准则；

（2）弦管管壁凹凸塑性变形达到某一限值，称为极限变形准则。

总起来看，单调荷载下的节点承载力略高于反复荷载下的节点极限承载力。抗震设计时应适当考虑这一因素。由首次观察到弦杆管壁屈服到节点达到极限承载力，两者的变形率都较大，表现出较好的延性。但承受反复荷载作用时节点的变形率稍低，节点滞回的优良特性表达显著。

4结论

（1）根据反复荷载加载特性设计了加载装置，实施了相贯节点的滞回性能实验。

（2）揭示了相贯节点在腹杆变号轴力反复作用下变形沿首次塑性开展方向累积的特性，以及单调加载曲线基本包覆并略高于滞回曲线的性质。

（3）指出采用相贯节点的钢管结构，其滞回性能取决于节点的滞回性能，结合工程实际，对特定几何参数的相贯节点的塑性耗能能力及抗震性能进行了评价。

参考文献

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