矩形钢管混凝土桁架Y型受拉节点受力性能分析*

向忠宝，王 伟，程 高，聂记良，常启忠

(1.中交隧道局第二工程有限公司，陕西 西安 710100； 2.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

矩形钢管混凝土桁架Y型受拉节点受力性能分析*

向忠宝1，王 伟1，程 高2，聂记良1，常启忠1

(1.中交隧道局第二工程有限公司，陕西 西安 710100； 2.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

以某矩形钢管混凝土桁梁桥为例，将K型节点分解为Y型受拉节点和Y型受压节点，从最基本的Y型受拉节点着手，建立非线性有限元分析模型，分析弦管内填混凝土、设置PBL加劲肋等参数对节点变形、破坏形式及应力分布等的影响。结果表明：内填混凝土能够提高节点抵抗变形能力，降低节点的应力水平，但易出现钢管与混凝土脱粘现象；设置PBL加劲肋后可有效增加钢管与混凝土界面的黏结力，阻止界面脱粘，显著提高节点抵抗变形能力，明显降低节点的应力水平，有效提高节点的极限承载力和节点刚度。

桥梁工程；钢管混凝土；桁架；受拉节点；Y型；极限承载力；有限元分析

0 引 言

矩形钢管内填混凝土后钢管的抗屈曲性能增强[1]，构件轴压承载力显著提高，节点处钢管抵抗变形能力增强，应力水平显著降低，而且桁架节点连接构造简单，这些优点使得钢管混凝土结构在桥梁工程领域中取得广泛应用[2]。随着矩形钢管混凝土构件、节点及桁架结构理论研究的深入和钢管混凝土施工技术的进步，国内外首座矩形钢管混凝土组合桁梁桥——陕西延安黄延高速公路K15+644车行天桥已顺利建成通车。

矩形钢管混凝土组合桁梁桥的桁架节点是结构的薄弱部位。桁架节点的形式主要有Y型、K型和N型。其中：K型和N型形式可等效为若干Y型受拉或受压节点，笔者拟从Y型节点入手分析和揭示钢管混凝土受拉节点的工作机理。刘永健等[3]对T型节点进行了试验分析，发现钢管内填混凝土改变了节点区域的应力分布，但对节点承载力提高不显著[4]。J.A.PACKER等[5-6]进行了矩形钢管混凝土T型节点受拉试验，指出矩形钢管混凝土节点极限承载力较高，但达到极限承载力时节点局部变形均较大，节点承载力由局部变形控制，建议计算钢管混凝土节点承载力时可不考虑管内混凝土作用，按矩形钢管节点考虑，同时指出腹弦管宽度比较大时，弦管内填混凝土有可能提高节点承载力。程高等[7-8]在文献[5]基础上增加PBL加劲肋，进行了不等宽T型受拉节点的有限元分析，发现设置PBL加劲肋可成倍提高节点抗拉刚度、承载力和疲劳寿命。

前人研究方法主要为试验研究，受试验场地和加载能力限制，试验尺寸相对较小，腹弦管宽度比不大。国内外首座矩形钢管混凝土组合桁梁桥——陕西延安黄延高速公路车行天桥节点尺寸较大，腹弦管宽度比接近于1，且弦管中设置PBL加劲肋[9]，与以往研究对象差异较大。为此，笔者采用非线性有限元分析方法建立桁架节点足尺模型，分析弦管内填混凝土、设置PBL加劲肋等参数对节点变形、破坏形式及应力分布等的影响，以期能够进一步揭示矩形钢管混凝土节点的受力性能，为钢管混凝土结构的推广应用提供技术支持。

1 桁架受拉节点构造形式

从矩形钢管混凝土组合桁梁桥——陕西延安黄延高速公路K15+644车行天桥桁架节点中萃取出Y型受拉节点，该节点腹管与弦管宽度之比为1，腹管与弦管夹角为45°，节点连接区域弦管内设PBL加劲肋。为便于对比分析弦管内填混凝土及PBL加劲肋对节点受力性能的影响，在此基础上，笔者设计了钢管节点和钢管混凝土节点，构造形式如图1。

图1 节点构造(单位：cm) Fig.1 Connection structure

图1中，钢管节点、钢管混凝土节点及带PBL加劲肋的钢管混凝土节点中弦管、腹管几何尺寸相同，钢管为Q345，管内混凝土标号为C50微膨胀混凝土。PBL加劲肋的设置长度为200 cm，肋高90 mm，开孔孔径为45 mm，开孔孔距100 mm。

2 有限元模型

采用有限元软件ABAQUS建立Y型受拉节点计算模型，并考虑钢材和混凝土的材料非线性、几何非线性。由于钢管混凝土与混凝土界面黏结的非线性对节点承载力影响敏感性较小，为提高计算效率，笔者将钢管混凝土界面接触按线性关系处理。

2.1 钢和混凝土的本构关系

钢的应力-应变关系采用二折线弹塑性模型，钢材的屈服强度fy、极限抗拉强度fu、弹性模量Es及泊松比νs如表1。混凝土本构模型采用ABAQUS软件提供的混凝土塑性损伤模型[10]，混凝土单轴受压和单轴受拉应力-应变关系采用GB50010—2010《混凝土结构设计规范》[11]中的素混凝土本构关系，混凝土轴心抗压强度fck、轴心抗拉强度ft、弹性模量Ec及泊松比νc如表1。

表1 材料的力学指标Table 1 Mechanical indexes of materials

2.2 钢-混界面模型

ABAQUS软件中钢管与混凝土界面采用线弹性黏性滑移行为实现，该规则允许互相黏结界面出现分离，用于模拟摩擦力与滑移量成一定比例的界面接触，被广泛用于模拟具有黏性的接触面[12]。

2.3 单元选取与网格划分

弦管、腹管中钢管采用ABAQUS软件提供的S4R壳单元，沿厚度方向的辛普森积分点为5个，网格尺寸约为(30×30) mm。混凝土采用C3D8R实体单元，网格尺寸约为(30×30×30) mm。钢管和混凝土采用结构化网格划分技术，焊缝采用自由网格划分技术，模型网格划分如图2。

图2 网络划分Fig.2 Mesh division

2.4 荷载及边界条件

Y型受拉节点受力如图3。将弦管、腹管钢管端面与钢性面采用绑定约束，并建立参考点与钢性面的刚性连接。约束参考点RP2、RP3的DX、DY、DZ、RX、RY、RZ的自由度，对参考点RP1施加轴向位移25 mm。

图3 边界条件Fig.3 Boundary condition

2.5 参数选取依据

笔者有限元模型参数参考了程高[12]的研究成果。程高[12]进行了钢管、混凝土材料本构模型验证，钢混界面模型对比，单元网格及网格密度选取，PBL加劲肋模拟方法对比等研究，通过大量构件、节点试验与理论分析验证了模拟方法的可靠性。

3 结果分析

3.1 破坏模式

根据有限元分析结果，得到腹管施加25 mm轴向位移后节点的变形状况，如图4。

图4 破坏形式Fig.4 Failure modes

由图4(a)可知：空钢管节点连接区域变形较大，钢管出现局部屈曲；由图4(b)可知：钢管混凝土节点较空钢管节点局部变形稍小，钢管与混凝土出现脱粘现象；由图4(c)可知：带PBL加劲肋的钢管混凝土节点处钢管与混凝土未出现脱粘。

由此可见，弦管内填混凝土后节点局部变形减小，设置PBL加劲肋可有效增加钢管与混凝土界面的黏结力，阻止界面脱粘。钢管混凝土结构受混凝土收缩徐变、温度作用等影响界面粘结力容易被克服而脱粘[13]，设置PBL加劲肋可显著改善钢管混凝土结构长期工作的性能。

3.2 应力分析

为分析弦管内填混凝土、设置PBL加劲肋对节点应力分布的影响，笔者分别选取腹管轴向应力为1、100 MPa时节点的MISES应力分布情况，如图5。

图5 节点应力分布Fig.5 Connection stress distribution

当腹管轴向应力为1 MPa时，钢管名义应力大小即为节点的应力集中系数，反映了节点应力集中程度。由图5(a)～(c)可知：钢管节点的应力集中程度显著高于钢管混凝土节点，带PBL加劲肋的钢管混凝土应力集中程度最小。当腹管轴向应力为100 MPa时，节点应力分布反映了节点在弹性工作状态下节点的应力状态。由图5(d)～(f)可知：钢管节点应力水平显著高于钢管混凝土节点，带PBL加劲肋的钢管混凝土的应力水平明显低于钢管混凝土节点。

由此可见：弦管内填混凝土能降低节点的应力集中程度，降低弹性工作阶段节点的应力水平，设置PBL加劲肋后，节点应力集中程度显著减小，节点的应力水平明显降低。定义A板为腹管上与弦管顶板相连的钢板，B板为腹管上与弦管腹板相连的钢板，C板为弦管的顶板。节点受拉时，B板应力显著高于A板应力，C板接近弦管腹板处的应力最大，远离弦管腹板处的应力呈减小趋势。腹管受到的拉力主要由与弦管腹板相连的B板承担，A板承担比例较小。这种现象在空钢管节点上表现最为突出，其次是钢管混凝土节点。设置PBL加劲肋后A板与PBL加劲肋连接处应力增加，C板与腹管连接区域应力接近，B板承担拉力减少，A板承担拉力增加，从而有效改善受拉节点的受力特性。

3.3 极限承载力

为分析Y型受拉节点的极限承载力，笔者提取了腹管轴向荷载随着轴向位移的变化曲线，如图6。

由图6可知：弦管内填混凝土后Y型受拉节点的极限承载力提高达20%，设置PBL加劲肋后Y型受拉节点较空管节点的极限承载力提高达25%。取节点弹性工作阶段轴向荷载-位移曲线的斜率为节点抗拉刚度。弦管内填混凝土后Y型受拉节点的抗拉刚度提高达21%，设置PBL加劲肋后Y型受拉节点较空管节点的抗拉刚度提高达29%。

由此可见：弦管内填混凝土可显著提高节点承载力和节点抗拉刚度，设置PBL加劲肋能进一步提高节点承载力，但较混凝土节点提高并不显著。

程高等[7]进行了腹弦管宽度比为0.4的T型节点受拉分析，指出设置PBL加劲肋可成倍提高节点承载力，验证了PBL加劲肋的优势。节点承载力和抗拉刚度受腹弦管宽度之比影响较大。腹管与弦管宽度接近时，腹管拉力主要由与弦管腹板相连的两块板承担，并传递至弦管腹板，与弦管顶板相连两块板承担较少，传递至弦管顶板的拉力也较小；设置PBL加劲肋可增加与弦管顶板相连两块板承担的拉力，但改善并不显著。腹管宽度小于弦管宽度时，腹管拉力全部传递至弦管顶板，设置PBL加劲肋后可显著增加弦管顶板与管内混凝土的连接力，从而极大地提高节点承载力。

由此可见：PBL加劲肋在提高钢管与混凝土界面连接力，显著提高不等宽节点的承载力。

图6 轴向荷载-轴向位移曲线Fig.6 Axial load-axial displacement curve

4 结 论

笔者从国内外首座矩形钢管混凝土组合桁梁桥——陕西延安黄延高速公路K15+644车行天桥桁架节点中萃取出Y型受拉节点，建立起节点足尺有限元分析模型，得出如下结论：

1) 较空钢管节点，弦管内填混凝土后节点局部变形减小，但易发生钢管与混凝土界面脱粘现象，设置PBL加劲肋可有效增加钢管与混凝土界面的黏结力，阻止界面脱粘，提高节点抵抗变形能力，解决了钢管混凝土结构易受收缩徐变、温度作用影响而脱粘问题，从而提高钢管混凝土结构的耐久性。

2) 较空钢管节点，弦管内填能在一定程度降低节点的应力集中程度，降低弹性工作阶段节点的应力水平，设置PBL加劲肋后，节点的应力集中程度显著减小，节点的应力水平明显降低，从而能够提高节点的抗疲劳性能。

3) 较空钢管节点，弦管内填混凝土后Y型受拉节点的极限承载力提高达20%，节点的抗拉刚度提高达21%，设置PBL加劲肋后Y型受拉节点较空管节点的极限承载力提高达25%以上，节点的抗拉刚度提高达29%。设置PBL加劲肋后可显著增加弦管顶板与管内混凝土的连接力，从而极大地提高节点承载力，这种优势在不等宽节点中表现突出。

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Mechanical Behavior Analysis on Y-Type Tension Joint ofRectangular Concrete-Filled Steel Tube Truss

XIANG Zhongbao1，WANG Wei1，CHENG Gao2，NIE Jiliang1，CHANG Qizhong1

(1. CCCC Tunnel of the Second Engineering Company Limited，Xi’an 710100，Shaanxi，P. R. China; 2. School of Highway，Chang’an University，Xi’an 710064，Shaanxi，P. R. China)

Taking a rectangular concrete-filled steel tubular truss bridge as an example，the K-type connections were divided into Y-type tension joints and Y-type compression joints. The nonlinear finite element analysis model was established from the most basic Y-type tensile joints. The influence of the parameters such as the concrete filled in the chord and the PBL stiffener on the deformation，failure mode and stress distribution of the joints were analyzed. The results show that filling concrete in steel tube can increase anti-deformation ability and reduce stress level of the joints，but the phenomenon of debonding between the steel pipe and concrete is easy to occur; setting PBL stiffener can effectively increase the bonding force of the interface between steel and concrete，prevent interface debonding，greatly improve the node deformation resistance，obviously decrease the node stress level and effectively improve the ultimate bearing csapacity of the node and the node stiffness.

bridge engineering; concrete-filled steel tube; truss; tension joint; Y-connection; ultimate bearing capacity; finite element analysis

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.12.01

2016-07-01；

2016-11-08

中央高校基本科研业务费资助项目(310821161004)

向忠宝(1982—)，男，四川绵阳人，工程师，主要从事桥梁工程方面的工作。E-mail：1337076901@qq.com。

程 高(1988—)，男，河南泌阳人，工程师，博士，主要从事桥梁工程方面的研究。E-mail：1255726999@qq.com。

U441+.5

A

1674-0696(2017)12-001-05

刘韬)