某项目中钢管结构改进刚性连接的试验研究★

方 成 黄 超 章 华 邢 丽

(1.浙江省工业设计研究院，浙江 杭州 311200； 2.浙江大学城市学院，浙江 杭州 310015)

1 工程概况

某项目由六个独立拱及一个三拱相贯结构组成的空间双曲钢桁架结构。中央三拱的四管主拱梁采用的是四根圆管，跨度均为50 m以上，施工精度要求控制在2 mm，施工现场不允许进行焊接、切割，所有构件必须在工厂内制作完成，做好防腐处理后到现场组装，同时该建筑对外观要求高，因加工、运输等原因，钢管需要在现场进行接长，为此项目面临传统连接做法建筑外观无法满足要求的问题,见图1。

钢管对接连接的形式主要有法兰连接和现场焊接两种，法兰连接中突出的法兰盘影响建筑美观[3-5]，在焊接连接中，仰焊、高空拼装的钢管焊接质量不容易保证。为了满足该项目建筑外观的要求，提出一种改进的钢管刚性对接连接方式，如图2所示，焊接工作在工厂完成，焊接工作主要有：十字形连接板(图2中所示部分2)和钢管(图2中所示部分3)之间的焊接，在工厂焊接可以保证定位准，焊缝质量高。此外在工厂要把连接板和垫板开好螺栓孔。在施工现场不进行焊接，仅进行高强螺栓的安装和在连接件外通过结构胶包裹不传力的钢管，使刚性连接节点置于钢管内部。保证连接节点外观。为了解该连接的受力性能，本文对5个试件进行轴心受压试验和轴心受拉试验。

2 试件设计

表1 试件尺寸

共设计5个试件的试验，试件组成及尺寸详见表1及图3(以开槽长度70 mm为例)，试件管径为159 mm×6 mm。试件中十字插板连接板截面、垫板截面、高强螺栓连接部分的设计强度均大于钢管截面的极限承载力，考察钢管开槽长度对承载力的影响。

3 试验装置

试验加载设备为500 t长柱试验机，为了解在加载过程中试件整体位移的变化，布置位移监测设备LVDT电子位移计9个，具体布置详见图4试验全景，在开槽前端和末端布置14个三向应变片，来监测轴力作用下试件应力变化及分布规律，如图5所示。

4 试验过程分析

试件从加载到破坏经历三个阶段：弹性、弹塑性和破坏阶段。加载制度为：弹性阶段加载速度为10 kN/s的荷载递增加载，试验机监测软件中荷载位移曲线进入平直段时加载速度减至5 kN/s，极限荷载后荷载递增加载已无法进行试验，此时改用位移加载，加载速度为1 mm/min，承载力下降10%以上后停止加载。以下为试件破坏过程及形态，试件破坏区域划分如图6所示，破坏形态见图7。

LJ-1：试验机监测软件试验加载数值达到600 kN时，侧向的LVDT数值增加明显，首先试件下半部分B区局部略微凹陷，周围钢管凹陷不明显，荷载达到791.9 kN不再增加，竖向和侧向位移计数值突变，说明极限承载力为791.9 kN，钢管槽末端(B区)几乎都发生了不同程度上的内凹，最终破坏发生在开槽末端钢管的强度破坏，同时试件在整体上呈现弯曲。

LJ-2：试验机监测软件试验加载数值达到745 kN之前，位移计数值变化均匀，位移数值增长较慢，在加载到745 kN之后，位移增加变快，钢管槽的末端(B区)局部出现屈曲，并不断发展，835 kN时，下侧钢管槽末端(B区)屈曲，试件向一侧弯曲，862 kN时，荷载不再增加，位移数值变化更明显，继续加载，长柱试验机出现卸载，钢管开槽末端变形严重，试件整体弯曲，试件LJ-2的屈服承载力和极限承载力大于试件LJ-1。

LJ-3：试验机监测软件试验加载至600 kN时，试件上、下两部分的钢管B区、E区均出现变形，740 kN时，发出清脆的响声，钢管开槽边(A区)钢管发生剪切破坏，继续加载，荷载不再增加，位移增加，因钢管局部槽边(A区)发生破坏引起十字形连接板受力不均，导致十字形插板弯曲。

LJ-4：试验机监测软件试验加载至800 kN时，E区出现变形，1 100 kN时，荷载开始减小，1 031 kN时，试件破坏，试件上半部分钢管槽末端出现一条裂缝，插板与钢管连接处钢管发生剪切破坏，开槽处的钢管变形严重并外翘。试件发生剪切破坏和净截面联合破坏。试件4的屈服承载力和极限承载力大于试件3。

LJ-5：试验机监测软件试验加载至1 000 kN时，槽末端(B区)焊缝破坏，荷载达到1 100 kN时，钢管C区钢管变细，有拉断的趋势，1 162 kN时，荷载增加缓慢，位移增加变快，1 065 kN时，试件上半部分钢管的C区净截面拉断，下半部分槽末端局部屈曲，钢管开槽末端净截面拉断。试件LJ-5的极限承载力与试件LJ-4相差不多。

5 试验结果

根据试件布置的三向应变片测得的应变值，换算成Von-Mises等效应力，应力数值大于500 MPa时在图中不表示。各试件等效应力数值见图8～图12。

轴压试件LJ-1与LJ-2对比，见图8，图9，试件中开槽前端测点S1，S2，S3，LJ-1中S2测点的等效应力值小于槽末端测点S1，S3，在达到极限承载力时除测点S2，S1，S3均屈服，而试件LJ-2达到极限承载力时，测点S1，S2，S3均未屈服，说明十字形连接板插入钢管长度大小影响钢管开槽前端截面应力集中和剪切滞后现象；从图8b)，图9b)可知，距槽近测点应力明显大于距槽远的测点，进一步说明连接节点应力分布不均，在轴压设计时，应对截面效率进行折减。

轴拉试件LJ-3，LJ-4，LJ-5对比，见图10～图12，由槽前端测点S1，S2，S3等效应力数值及等效应力分布可知，距离槽近的测点应力大于距离槽远的，说明该连接存在剪切滞后现象，随着开槽长度的增加测点应力减小，说明开槽长度的增加可以提高连接的承载能力。由图12b)可知，槽足够长时槽末端的应力集中现象仍然很明显，说明在轴拉连接设计时，同轴压设计一样，需要对截面效率进行折减。

6 结语

本文对某项目中钢管结构刚性连接进行了改进，并通过轴心受力试验研究，得出钢管开槽长度对承载能力有影响，在满足焊缝计算的前提下，应考虑开槽长度对承载能力的影响；同时应考虑槽末端应力集中现象，以及槽与板连接引起的钢管剪切滞后现象，设计时应对钢管截面给予一定的折减。

参考文献:

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[5] 董石麟，邢 丽，赵 阳.矩形钢管焊接空心球节点承载能力的简化理论解与实用方法研究[J].土木工程学报，2006，39(6)：458-470.