钢管混凝土柱斜向平面相贯节点试验分析.pdf

唐嘉敏 ： 钢管混凝土柱斜 向平面相贯节点试验分析 钢管混凝土柱斜 向平面相贯节点试验分析 唐嘉敏 ( 华南理工大学建筑设计研究院 。 广州5 1 0 6 4 0 ) 【 摘要】 钢 一 混凝土组合结构逐渐成为了继砖石结构、 混凝土结构和钢结构之后的第四种结构形式。而 钢管混凝土构件之间的连接问题， 即钢管混凝土节点的计算方法与构造措施是其结构设计中的重要问题之一。 钢管混凝土柱斜向相贯节点是一种新型的钢管混凝土节点， 在现有的理论及工程经验中尚无针对该种节点的深 入研究。本文将通过缩尺模型试验， 对钢管混凝土斜向相贯节点的受力性能、 破坏形态以及承载能力等方面进行 研究分析， 为钢管混凝土柱斜向相贯节点在工程中的应用提供实验依据。 【 关键词】 节点； 钢管混凝土柱； 斜向平面相贯； 试验研究 【 中图分类号】 T U 3 7 5 3 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 2 ) o 9 0 0 7 3 一 o 3 由于钢管混凝土具有优异的工作性能， 从发明至今 ， 其 在土木工程中的应用已有百年历史。近十几年， 对钢管混 凝土的研究着重于其动力性能、 采用高强钢材和高强混凝 土的构件的力学 性能、 在长期荷载作用下的力学性 能等 方面。 当前 ， 我国已成为在工程中应用钢管混凝土最多最广 的国家， 而现代钢管混凝土结构技术 自身也在工程实践中 得到 了新 的发展 。 1 节 点试 验设计 ( 1 ) 试件设计。由于试验目的不同， 本期试验试件为 平 面节点 试件 ( 即无考虑节点平 面外角度 ) 。在综合考虑 了 尺寸效应的干扰、 实验室加载能力以及试验设备等因素后。 本期试件的几何缩尺比例取为 1 ： 5 5， 各部分构件均按几何 相似关系缩小。试件编号见表 1 ， 试件具体构造见图 1 。 ( 2 ) 试件制作。试件各部件的用料见表 2 。试件的整 体钢管制作在钢结构加工厂内完成， 测定钢材的强度指标 后， 运至华南理工大学结构试验室进行内部混凝土的浇筑。 经测定 ， 2 0 # 钢材的屈服强度为 2 7 1 2 5 M P a ， 极限强度为 4 4 8 7 5 MP a ， 伸长率为 2 7 5 ， C 6 0混凝土的实测抗压强度 为 5 9 5 MP a 。 ( 3 ) 加载方案。试验在华南理工大学土木工程系结 构实验室进行。由于相贯节点需要在一定角度的两个方向 上分别施加最大值为 1 0 0 0 0 k N的压力， 所以， 一期节点试验 专门设计了钢结构 自平衡加载装置， 节点试件水平放置于 梁体测得的徐变系数曲线的变化趋势更加接近， 尤其是随 着混凝土徐变的发生， 两者发展曲线接近重合。 1 2 妊 1 Il 5 0 8 0 4 0 0 O 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 时间， d 图6 修正后徐变系数 与试验梁徐变系数对比图 4结 语 本文分析了预应力混凝土梁的弹性反拱和徐变反拱。 并将实测弹性反拱值和理论模拟值进行对比分析， 得出4 0 m 跨径箱梁的弹性反拱度值主要在 4 6 m m之间变化 ， 其平均 反拱值为 4 8 5 5 m m。与理论计算值相差较小， 可以作为参 考数据采用。 通过对混凝土箱梁的跟踪测量， 采集了共计9 0 d的徐变 反拱挠度的数据 ， 将由这些数据推算 的徐变系数与公式 ( 3 ) 、 ( 6 ) 规定的徐变系数值进行对比。得出由徐变反拱实 地测量值计算的徐变系数与上述两种规定方法下的徐变系 数值发展趋势一致， 但由于实际工程中所处的时期为雨季， 环境的平均相对湿度较大， 使实际的徐变系数小于理论徐 变系数。并得出了徐变系数的修正计算式 ， 可以为牡丹江 地区7 9月同类桥梁的施工设计提供参考。 参考文献 1 沈毓凡 浅谈后张预应力 混凝土 空心板反拱度偏 大的原因 与 防治 J 建筑与工程， 2 0 0 7 ， ( 2 3 ) ： 4 5 6 4 5 7 2 罗家良 浅谈预应力混凝土连续箱梁后张法施工控制 J 山 西建筑 ， 2 0 o 8 。 3 4 ( 9 )： 1 7 31 7 4 3 毛杰， 林大山 后张预应力小箱梁预制构件预拱度分析 J 中 外公路 ， 2 0 0 3 ， 2 3 ( 5 )： 57 4 混凝土收缩与徐变专题 协作组 混凝 土收缩与徐变 实用 数学 表达式 的试验研究 J 建筑科学 ， 1 9 8 7 ， ( 3 ) 5 J T G D 6 22 0 0 4， 公路 钢筋混凝土及预应力混凝 土桥涵设计规 范 s 收稿 日期 】 2 0 1 20 41 7 作者简介 】 李锋 丹( 1 9 9 1一) 男 ， 山东 菏泽人 ， 研究方 向 ： 道 路与桥梁工程 。 7 4 低温建筑技术 2 0 1 2年第 9期( 总第 1 7 1 期 ) 其内进行试验。试验采用两套加载系统， 每套加载系统包 括一台 1 0 0 0 0 k N千斤 顶及 一个 配套 液 压泵 系统， 一 个 1 0 0 0 0 k N压力传感器。两套系统分别加载， 这样可以模拟两 个杆件受不同大小压力的情况。 表 1 试件编号及构造参数 注： a为节点平面内角度； 为节点平面外角度。 ( 4 ) 测试方案。测定的主要内容为 ： A测定试件在各 级荷载作用下节点区和非节点区的轴 向变形及平面外变 形 ； B测定节点区和非节点区在各级荷载作用下的应变； C 测定试件的极限承载力。 表2 节点试验试件材料 ： l ： ， 2 ,a A - 3 , A - - 4 图1 试件构造图 为了获取节点试件受荷时的各种数据， 在试件节点区 及非节点区截面分别布置了一定数量的应变片。 2节点试验 结果及分 析 因为试件数量较多， 所以本文只对其 中具有代表性 的 试件 B l 进行详细描述。 B - 1 试件的试验持续时间约为 3 h 。该试件的破坏形态 见图2 。其主要试验现象如下： ( 1 ) 当荷载为0 4 5 o o k N时， 试件各截面的轴向压应 变及环向拉应变均呈线性增大。对应4 5 0 0 k N荷载时， 节点 区内应变最大点的轴向压应变约为 1 7 0 0 t, e ， 环向拉应变约 为 6 0 0 p ,e 。 ( 2 ) 在 A基础上再加一级荷载时， 钢管开始进入弹塑 性阶段。试件节点区内应变最大点的轴向压应变增大至 2 5 0 0 p ， 环向拉应变增大至 1 4 0 0 p t 。 ( 3 ) 之后的加载过程中， 钢管的轴向和环向应变都呈 现非线性的增长趋势。 ( 4 ) 当荷载加至7 2 5 0 k N时， 试件出现较大的变形， 部 分位移测点处的百分表已接近其量程， 所以拆除百分表。 ( 5 ) 继续加载时， 试件的变形明显增大。四肢钢管在 靠近支座和加载端处已逐渐出现 4 5 。 滑移线， 随后 ， 节点区 钢管也出现了4 5 。 滑移线， 见图3 。 ( 6 ) 当荷载加至7 3 8 0 k N时， 节点区钢管在靠近法兰 板附近出现较明显鼓起现象。与 A型节点试件不同的是 ， 该种鼓起是由法兰盘外侧开始， 在距法兰板一定距离处充 分鼓起， 见图4 。此时， 由于变形的不断增大 ， 试件不能持荷 于7 3 8 0 k N而承载力下降， 因此， 停止加载， 试验结束。 试验曲线分析见图5 、 图6 。 3 试验后试件内部形态分析 为了了解试验后试件内部的破坏形态， 特对试件进行 剖开观察。试件内部破坏形态见图7 、 图 8 。由试验后试件 内部破坏形态来看， 它们具有以下特点： ( 1 ) 对于试验后试件的明显鼓起处， 钢管轴向压缩变 形和环向变形均较大， 在其对应的观察截面( 图7 ) 上则呈现 出骨料与水泥浆间界线模糊， 混凝土断口高低不平 ， 材料挤 唐嘉敏： 钢管混凝土柱斜向平面相贯节点试验分析 7 5 一一 图2 试验后试件 B - 1 形态 图3 节点区钢管上的4 5 。 滑移线 图4 节点区靠近法兰板处钢管鼓起 8 O o 0 6 O 0 o Z 4 0 0 0 蠢 2 0 0 0棺 0 一l 2 5 o o一1 0 0 0 0- 7 5 0 0- 5 0 0 0 2 5 0 0 0 截面平均轴向压应变， 图5 B - l 试件荷载 截面平均轴向压应变曲线 O 2 5 0 0 5 0 0 0 7 5 0 0 1 0 0 0 0 1 2 5 0 0 截面平均环向拉应变， 图6 B - l 试件荷载一 截面平均环向拉应变曲线 压较密实 ， 抗压强度较高， 抗拉强度较低的现象。 ( 2 ) 对于试验后试件的无明显鼓起处( 图 8 ) ， 钢管环 向变形不大， 在其对应的观察截面上则呈现出骨料和水泥浆 界线分明， 混凝土断口平整， 抗压、 抗拉强度都较高的现象。 ( 3 ) 可见 ， 试验后试件内部的破坏形态与试件的轴向 压缩变形 和环 向变形有关 。 ( 4 ) 试验后试件的椭圆拉板表面较为平整 ， 并无出现 明显的破 坏现 象。 一 一 图7 节点区截面 图8 非节点区杆件截面 5结 语 ( 1 ) 初步验证了该种新型钢管混凝土柱斜向相贯节 点的构造措施合理， 节点的承载能力满足设计要求， 受力性 能安全可靠。 ( 2 ) 本期试验中， 不同的加载制度( 对称或非对称加 载) 对试件的整体受力表现、 破坏形态 以及承载力等影响 不大 。 ( 3 ) 破坏形态方面： 本期试验通过不同的构造措施设 计了环向加强板 +衬板型、 法兰板型两种节点， 且每种节点类 型都包括两种不同平面内角度( a= 2 0 。 或 3 5 。 ) 的试件。通过 试验 ， 一共出现了两种不同的破坏形态： 节点区外杆件破坏以 及节点区和节点区外杆件同时破坏。前者主要出现在边节点 试件( = 3 5 。 ) ， 而后者主要出现在角节点试件( r t, = 2 0 。 ) 。 ( 4 ) 承载力方面： 所有试件均满足承载力要求。其 中， 角节点的承载力比边节点略小， 约为边节点的 9 6 ， 这 是由于角节点平面内夹角较小， 当柱轴力相同时， 角节点相 贯处截面的受力比边节点大。 ( 5 ) 受力表现方面： 所有试件均表现为随着荷载的增 加， 节点区和节点区外杆件的钢管轴向与环向同时受力 ， 轴 向受压 ， 环向受拉 ， 且轴向应变大于环向应变。当钢管轴向 最大应变超过 1 6 0 01 8 0 0 p , 8后， 钢管轴向及环向应变均有 较大突变， 表明钢管进入屈服阶段， 同时混凝土受压后环向 膨胀， 钢管对混凝土有较大的环向约束作用， 表现为约束混 凝土的受力特点。 ( 6 ) 环向加强板 +衬板型构造对节点相贯处的约束 效应较好 ， 而法兰板型构造的优点是重量较轻。 ( 7 ) 环向加强板 +衬板型节点宜采用全节点区内衬 板加强， 以提高整个节点区对核心混凝土的约束效应。 参考文献 G B 5 0 1 5 2 9 2 ， 混凝土结构试验方法标准 s C E C S 2 8 ： 9 0 。 钢管混凝土结构设计与旌工规程 s 蔡 绍 怀 现代 钢 管 混 凝土 结 构 M 北 京 ： 人 民交 通 出版 社 ， 2 0 0 3 钟善桐 钢管混凝土结构 M 第三版 北京： 人民交通出版 社 ， 2 0 0 3 李斌 钢管混凝土结构的研究 D 西安： 西安建筑科技大 学 ， 2 0 0 4 蔡绍怀 现代钢管混凝土结构( 修订版) M 北京： 人民交通 出版社 ， 2 0 0 7 唐嘉敏 钢管混凝土柱斜向相贯节点试验研究 D 广州： 广 州华南理工大学 ， 2 0 0 9 收稿日 期】 2 0 1 2 0 6 2 6 作者简介】 唐嘉敏( 1 9 8 3一) ， 女， 广东广宁人， 助理工程师。 从事土木工程专业 。 z 、 褥稼 1i 1j 1J |!I