耳板式钢—混凝土组合桁架节点力学性能试验研究.pdf

第 3 2 卷 ， 第 6 期 2 0 1 1年 1 1月 中 国 铁 道 科 学 CHI NA RAI LW AY S C I ENCE Vo 1 3 2 No 6 No v e mb e r ，2 0 1 1 文章编号：1 0 0 1 4 6 3 2( 2 0 1 1 )0 6 0 0 4 1 - 0 7 耳板式钢一 混凝 土组合桁 架节点 力学性能试验研究 周凌宇，张花 ，贺桂超 ( 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙4 1 0 0 7 5 ) 摘 要：钢一混凝土组合桁架梁上弦端节点受力复杂 ，是组合桁架结构受力的关键部位。以西平铁路桥梁 钢一混凝土组合桁架节点为原型，设计制作了3个耳板式节点的 1： 2 缩尺模型，进行水平静力性能试验和有限 元分析，研究钢一混凝土组合桁架节点的应变发展规律、极限承载力、破坏模式和荷载一 位移曲线等力学性能。 研究表明：耳板式钢一混凝土组合桁架节点极限承载力和刚度满足设计要求 ；P B L连接件具有较好的抗剪能力； 节点的薄弱部位为弦杆核心区混凝土；节点的破坏模式主要有弦杆混凝土开裂破坏、腹杆屈曲破坏、腹杆与耳 板连接处屈服等，因此提高混凝土强度和节点配筋率，增加腹杆厚度有助于提高整个节点的承载力。 关键词：钢一混凝土组合桁架梁；耳板式；组合节点；力学性能；试验研究；有限元分析 中图分类号 ：U4 4 8 2 1 1 ：T U3 9 8 9 ；T U3 1 7 1 文献标 识码 ：A 钢一混凝土组合桁架将钢与混凝土 2 种不同的 材料有机结合起来 ，对以受压为主的上 、下弦杆采 用混凝土结构，可大幅度降低钢材用量 ，同时结构 刚度较钢桁梁也明显提高，使得工程造价大为降 低 ，腹杆采用钢结构后 ， 运营后的养护维修也更简 单方便，并可有效降低截面高度，应用范围更广， 施工简单，对地面交通影响降到最低 1 。因此， 钢一混凝土组合桁架梁桥有着广阔的应用前景。国 外已进行 了一些试验研究和成桥实例 ，而国内对此 研究 尚处于起步阶段_ 3 。 西安一平凉铁路的后河村特大桥、马屋泾河特 大桥 、太峪大桥受建筑高度和跨度 的限制，采用 1 孔 8 0 1 T I 钢混凝土组合桁架梁 的结构形式。上下 弦杆采用钢筋混凝土结构 ，下弦采用槽型全预应力 混凝土梁 的结构形式 ，上下 弦杆之 间用钢腹 杆连 接，采用耳板式组合节点。目前，该类型节点工程 实践 国内尚无先例，对该类节点的承载力、工作性 能的研究 也属空 白。为 了确保 桥梁节点 的安 全可 靠，本文对耳板式组合桁架节点进行模型试验和研 究。 1 试验设计 1 1 模型 以西安一平凉铁路上的后河村特大桥 、马屋泾 河特大桥、太峪大桥的桥梁端节点为原型，考虑实 验室场地、加载能力 、试件制作等因素 ，节点试验 模型的缩尺 比选为 1：2 。为尽可能反映原型节点 的性能，试验模型在设计制作时考虑 了几何相似、 材料相似和受力状态相似 ，并以弦杆轴向应力相似 为控制条件。为减 少偶然误差 ，确保试 验结果准 确，共制做了3 个相同的节点模型试件， 其正视图 如 图 1所示 。 5 0 n i 螺 柃 重 堑 1 一 7 3 7 3 图 1 节点正视图 ( 单位：mm) 弦杆配筋如图2 所示，各构件钢材性能指标见 表 1 。混凝土采用商品混凝土，设计强度等级为 C 5 0 ， 腹杆采用Q3 4 5 钢材 ， 耳板与腹杆的连接为 收稿 日期 ：2 0 1 1 - 0 4 2 0 ；修订 日期 ：2 0 1 1 - 0 9 0 6 基金项 目：国家 自然科学基金 资助项 目 ( 5 0 7 0 8 1 1 2 ) ，铁道部科技研究开发计划项 目 ( 2 0 0 8 G 0 0 7 一 C ) 作者简介 ：周凌宇 ( 1 9 7 3 ) ，男，湖南长沙人，副教授，博士。 t 1 _ 4 2 中国铁道科学 第 3 2 卷 、 、 、 、 ( a 】 正面配筋图( b ) 1 培4 面 图 2 弦杆配筋图 ( 单位 ：mm) 表 1 各构件钢材尺寸和力学性能指标 焊接 ，耳板与连接板采用 M2 2高强螺栓连接。 1 2 加载装置和加载制度 本试验通过油压千斤顶对弦杆一端进行单调静 力加载，试验装置见图 3 。试验采用地锚式 自平衡 体系 ，试件 固定在型钢混凝土底座上 ，同时为保证 节点弦杆只有水平位移，在弦杆两侧增加了竖 向支 撑杆和侧向支撑滑轮 。 节点模 型试件设计荷 载为 2 0 0 0 k N，为观察 节点破坏情况及破坏后工作状态，试验中将加载至 5 0 0 0 k N。试验过程采用分级加载制度 ，在初始阶 段 ，每级荷载为 4 0 0 k N；在 2 0 0 0 3 0 0 0 k N 阶 段 ，每级荷载 为 2 0 0 k N；在 3 0 0 0 5 0 0 0 k N 阶 段 ，每级荷载减为 1 0 0 k N。 图 3 实验装置及试件 1 3 测试方案 试验过程中主要测试 内容为 ：弦杆混凝土 、 弦杆内置钢筋、腹杆 、P B L键等 的轴 向应变 ； 节点核心区的 3向应变 ；桁架整体变位 ，包括竖 向、水平向位移和倾角 。由于节点破坏发生在弦杆 核心处，故本文只给出该区域的应变片布置图 ，如 图 4所示。 2 试验结果 2 1 典型试验 曲线 弦杆 自由端 中点荷载一位移 曲线如图 5所示 。 ( a ) 混凝土弦杆前表面应变测点布置图 C o ) 耳板应变测点图 图 4 应变片布置示意图 ( 单位：m m) 第 6 期 耳板式钢一混凝土组合桁架节点力学性能试验研究 4 3 图 5 弦杆 自由端中点荷载一位移曲线 由图 5可见，3 个试件的荷载一位移曲线在 2 0 0 0 k N设计 荷载前 ，处 于线弹性工作 阶段 ；在 加载至 5 0 0 0 k N过程 中，荷载一位移 曲线未 出现 明显拐点。荷载超 过 5 0 0 0 k N 后 ，荷载一位移 曲 线依旧向上发展，节点刚度未出现明显降低，且试 件主要构件均未破坏；荷载一位移 曲线的变形较 大 ，说明节点的延性很好 ，3个试件 的承载力均 高 于设计荷载很多，节点的安全储备较高，满足设计 要求。 6 o 0 O 5 0 0 0 0 o 。 篓3 0 0 0 2 0 o O 1 O o 0 O ( a ) 角隅处裂缝 2 2 节点试件破坏模式 当荷载加到 4 0 0 0 k N时 ，所有应变测点均处 于弹性 状 态 ，荷 载 位 移 曲线 呈 线 性 。当加 载 到 4 2 0 0 k N时，主受压腹杆拐角处 混凝土首先 出现 裂缝 图 6( a ) ；继续加载至 4 3 0 0 k N时，混凝 土表面、2 个钢腿间相继出现裂缝 图6( b )和图 6( c ) ，其中混凝土表面主要裂缝有 2 条，开裂方 向与试件弦杆轴向夹角约为 4 0 。 ，均位于节点核心 处 ，且开裂速度 较快。当荷 载加 至 4 6 0 0 k N 时， 腹杆筋处裂纹与混凝土表面裂缝连通 ，腹杆 、纵向 钢筋部分测点进入屈服状态 。直至加载结束时，节 点其他构件未出现局部屈曲等宏观破坏现象 。 图 7给出了 2 节点试件核心区混凝土表面应 变随荷载施加过程的发展状况 。可见 ，沿加载方向 混凝土弦杆轴向应变发生较大变化，第 2 列测点完 全受压，第 3 列测点部分受压部分受拉，第 4 列测 点受压，但压应变已经很小。第 3 列测点位于节点 核心区 ，在水平推力作用下 ，该部位混凝土承受拉 应变 ，混凝土受拉开裂 。3个试件混凝土均产生斜 向裂缝 ，说明弦杆核心区混凝土斜 向开裂是耳板式 节点的主要破坏模式。 ( b ) 混凝土核心区裂缝 ( c ) 2 个钢腿间裂缝 图6 节点试验裂缝开展图 应变 1 0 ( a 1 第2 排 应 变， l 0 ( b ) 第3 排 图 7 2 节点试件核心区混凝土表面的荷载一应变曲线 因此 ，从混凝土裂缝发展 和应变分布上均可看 出，该节点试件为典型的钢筋混凝土受拉开裂破坏 模式。 2 3 节点承载力 应变片读数表明，在达到事先确定的设计荷载 应变 1 0 ( c ) 第4 排 时，弦杆混凝土、弦杆内置钢筋、耳板、腹杆上绝 大部分测点测得的应变均未达到屈服，且弦杆的荷 载一位移曲线呈线性关系，位移增长缓慢而均匀， 因此可判断设定的荷载对应原型结构是合适的，节 点承载力高于设计水平。由于加载设备的限制，3 中国铁道科学 第 3 2 卷 个试件处于设计荷载水平时只在节点核心区出现混 凝土开裂现象，且裂缝宽度较小，而其余构件基本 处于弹性状态，因此应对节点的破坏模式作深入讨 论 。 3 有限元分析 3 1 有限元分析模型 采用有限元分 析软件 ANS YS对 试件进 行分 析。有限元模型尺寸和边界条件与试验一致， 加载 方式采 用荷 载控制 ，混凝 土采用 实体单 元 S OL I D 6 5模拟 ，剪力钢筋和耳板采用单元 S OL I D 4 5模 拟 ，混凝土 内钢筋采用 三维杆单元 L I NK8模 拟 ， 腹杆和铰接部分采用壳单元 S H E L l 8 1 模拟。混凝 土采用 Wi l l a m- Wa r n k e 5参数破坏准则 ，未考虑混 凝土与节点板之间的粘结滑移效应 。材料参数按照 材性试验结果确定 ，没有考虑焊缝和残余应力的影 响，节点试件有限元分析模型如图 8所示 。假定各 材料 为 理 想材 料 ，服 从 Mi s e s屈 服 准 则，采 用 Ne wt o n - R a p h s o n迭代法求解 ，同时考虑材料非线 性和几何非线性。 图8 试件有限元模型网格划分 3 2 有限元分析结果与试验结果对 比 3 个试件 自由端中点荷载一位移曲线的有限元 分析结果与试验结果 的比较见图 5 ，部分测点应变 或应力实测值与有限元分析结果的比较如图 9 一图 1 3所示 。可见 ，有 限元分析结果和试验结果 吻合 较好。因此，可以利用该有限元模型进一步研究设 计荷载水平下 P B L连接件的应力状态和节点可能 出现的破坏模式。 3 3 P B L连接件应力分布 图 1 4 给出了荷载为 5 0 0 0 k N时 P B L连接件 有限元计算的应力云图。从图中可以看出，弦杆中 6 0 0 0 5 0 0 0 4 0 0 0 Z 3 0 0 0 龈 2 0 0 0 l 0 0 0 0 4 3 2 一 l O 应变 1 0 图9 混凝土弦杆应变实测值与有限元分析结果比较 量 框 图 1 0 6 0 0 0 5 o o O 4 0 0 0 挺 3 0 0 0 2 0 0 0 1 0 0 0 O 应变 1 0 耳板应变实测值与有限元分析结果比较 一 1 6 1 2 8 4 0 应变 1 O 图 l 1 受拉腹杆应变实测值与有限元分析结果比较 嬗 应变 1 0 图 1 2 受压腹杆应变实测值与有限元分析结果比较 4 6 中国铁道科学 第 3 2 卷 ( a ) 荷载5 5 0 0 k N 图 1 6 腹杆应力的有限元计算结果 变达到塑性的区域面积进一步扩大， 腹杆内侧大面 积屈服 ，拉压腹杆上部分别 出现明显的凹陷和鼓 曲 现象。由于在整个有限元计算过程中节点 的其余构 件仍处在弹性受力阶段，因此节点的破坏模式可能 有以下 3种：弦杆混凝土较大范围开裂破坏 ； 腹杆屈曲破坏 ；腹杆和耳板连接处屈服等 。 4 结论 ( 1 )模型试验达到了研究耳板式钢一混凝土组 1 2 3 4 5 ( b ) 荷载6 0 0 0k N 合节点静载受力性能的目的。加载至5 0 0 0 k N时， 荷载一位移曲线一直呈线性关系，节点处于弹性 阶 段，各构件正常工作，节点试件承载力远高于设计 荷载2 0 0 0 k N，节点安全系数大、安全储备高 。 ( 2 )P B L连接件具有较好的抗剪能力。 ( 3 )节点的薄弱部位为弦杆核心区混凝土；节 点的破坏模式主要有弦杆混凝土的开裂破坏 、腹杆 屈曲破坏 、腹杆与耳板连接处屈服。 ( 4 ) 提高混凝土强度和节点配筋率、增加腹杆 厚度等措施有助于提高整个节点的承载力 。 参 考 文 献 柯军圣，万方芜湖长江大桥主跨钢桁梁斜拉桥跨中合龙施工 I- j 中国铁道科学，2 0 0 1 ，2 2( 5 ) ：1 1 5 1 1 7 ( KE J u n s h e n g ，WAN F a n g Cl o s i n g o f t h e Ca b l e - S t a y e d W u h u Ya n g t z e Ri v e r Br i d g e Mi d d l e Ma i n S p a n o f S t e e l T r u s s B e a m I - J C h i n a R a i l wa y S c i e n c e ， 2 0 0 1 ，2 2( 5 ) ：1 1 5 1 1 7 i n C h i n e s e ) 李德，张晟，蔺鹏臻新型钢混凝土组合桁架铁路桥梁的力学特征研究 J 兰州交通大学学报，2 0 1 0 ，2 9 ( 6 )：3 1 3 4 ( L I De ，Z HANG S h e n g，LI N Pe n g z h e r L Me c h a n i c a l Be h a v i o r o f a Ne w Ty p e o f S t e e l - C o n c r e t e Co mp o s i t e Tr u s s R a i l wa y B r i d g e J J o u r n a l o f L a n z h o u J i a o t o n g Un i v e r s i t y ，2 0 1 0 ，2 9( 6 ) ：3 1 3 4 i n C h i n e s e ) 日紫喜 刚兽，古市耕辅，平 兵，等鲷 5 3、夕I J 梭合 灭橘 l 二 挡c 于弓格点耩造明凳一格点耩造 ( 鲴 裂术、 y 夕叉耩造) 突物大模型夷骏 J 鹿岛技衍研究所年鞭，2 0 0 2 ，5 O ：2 5 3 2 ( HI S HI KI Y， F URUI C HI K，T AI R A Y， e t a 1 De v e l o p me n t o f a P a n e l J o i n t S t r u c t u r e f o r a S t e e l C o n c r e t e C o m p o s i t e Tr u s s B r i d g e - Te s t o f P a n e l J o i n t S t r u e t u r e( Th e S t e e l B o x S t r u c t u r e )o n a F u l l S c a l e Mo d e l E J An n u a l Re p o r t o f Ka j i m a Te c h n i c a l Re s e a r c h I n s t i t u t e ，2 0 0 2 ，5 0 ：2 5 3 2 i n J a p a n e s e ) 野村敏雄 ，大野 了，加藤敏明P C梭合 叉橘格点部 横造特性 c 二 阴亨为研究 ( 2 )一静的c 土I ) 模型载 荷寞骏 土弓耐荷性能l 二 圉寸为梭封 J 大林组技衍研究所鞭，2 0 0 5 ， 6 9 ：1 - 6 ( N0MURA T，0N0 S，KAT0 T S t u d y o n S t r e n g t h e n i n g P e r f o r ma n c e o f J o i n t s i n P C Hy b r i d Tr u s s Br i d g e s ( P a r t 2 ) 一 S t a t i c L o a d i ng T e s t w i t h 1 2 一 S c a l e Mo d e l S p e c ime n J R e p o r t o f O b a y a s h i co r p o r a t i o n T e c h n i c a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ，2 0 0 5 ，6 9 ：1 - 6 i n J a p a n e s e ) 刘玉擎 组合结构桥梁的发展与展望 C 王永珩，王勇，曾宪武中国公路学会桥梁和结构分会 2 0 0 5 年全国 桥梁学术会议论文集北京：人民交通出版社 ，2 0 0 5 ：1 8 6 1 9 0 ( L I U Y u q i n g T h e De v e l o p me n t a n d P r o s p e c t o f comp o s i t e B r i d g e c WA NG Yo n g h e n g ，WA NG Yo n g ， Z ENG Xi a n wu Ch i n a Hi g h wa y S o c i e t y B r i d g e a n d S t r u c t u r a l Eng i n e e r i n g Br a n c h o f t h e Na t i o n a l B r i d g e Co n f e r e n c e 第 6 期 耳板式钢一混凝土组合桁架节点力学性能试验研究 4 7 E 6 - 1 I- 7 E 8 9 2 0 0 5 P r o c e e d i n g s Be i j i n g ：C h i n a C o mmu n i c a t i o n s P r e s s ， 2 0 0 5 ：1 8 6 1 9 0 i n C h i n e s e ) 陈开利法国B o u l o n n a i s 高架桥简介 J 国外桥梁 ，1 9 9 9( 1 ) 1 5 1 7 ( CHE N K a i l i Ab o u t B o u l o n n a i s Vi a d u c t i n F r a n c e J F o r e i g n B r i d g e s ，1 9 9 9( 1 ) ：1 5 1 7 i n C h i n e s e ) 石田清，木户素子，小山幸宽，等羽越综山舍川桥 1 ) 上j 毅计 施工 J 工事鞭告，2 0 0 4 ，4 6( 2 ) ：5 6 63 ( I S HI DA K，S UBP RI ME K，KOYAMA H ，e t a 1 Ya ma k u r a Ri v e r B r i d g e De s i g n a n d Co n s t r u c t i o n o f Di s c h a r g e J C o n s t r u c t i o n Re p o r t ，2 0 0 4 ，4 6( 2 ) ：5 6 - 6 3 i n J a p a n e s e ) 陈玉骥，叶梅新简支下承式桁梁结合梁的模型试验 - J - I 中国铁道科学 ，2 0 0 4 ，2 5( 6 ) ：8 2 8 7 ( C H E N Y u j i ， Y E Me i x i n Mo d e l T e s t f o r T h r o u g h T r u s s C o m p o s i t e B e a m w i t h S i mp l e S u p p o r t J C h i n a R a i l wa y S c i e n c e ，2 0 0 4，2 5 ( 6 ) ：8 2 8 7 i n Ch i n e s e ) 肖林 ，李小珍，卫星P B L剪力键静载力学性能推出试验研究 J 中国铁道科学，2 0 1 0 ，3 1( 3 ) ：1 5 2 1 ( XI AO Li n，LI Xi a o z h e n，WEI Xi n g Re s e a r c h o n t h e S t a t i c Lo a d Me c h a n i c a l Pr o p e r t i e s o f P BL S h e a r Co n n e c t o r s P u s h - o u t T e s t J C h i n a R a i l wa y Sci e n c e ，2 0 1 0 ，3 1( 3 ) ：1 5 2 1 i n C h i n e s e ) Ex p e r i me n t a l Re s e a r c h o n t he M e c h a n i c a l Pr o pe r t i e s o f t h e S t e e l - Co n c r e t e Co mp o s i t e Tr u s s J o i n t wi t h Ea r P l a t e ZHOU Li n g y u，ZHANG Hu a ，HE Gu i c h a o ( S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g，Ce n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y ，Ch a n g s h a Hu n a n 4 1 0 0 7 5，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：Th e me c h a n i c a l f o r c e o f t h e i o i n t o n t h e t o p c h o r d o f t h e s t e e l - c o n c r e t e c o mp o s i t e t r u s s b e a m i s c o mp l i c a t e d ，a n d i s t h e k e y p a r t o f t h e c o mp o s i t e t r u s s s t r u c t u r e As t h e p r o t o t y p e o f s t e e l - c o n c r e t e c o m p o s i t e t r u s s j o i n t u s e d i n Xi a n -P i n g l i a n g r a i l wa y b r i d g e s ， t h r e e j o i n t s p e c i me n s o f e a r p l a t e f o r m a t 1： 2 s c a l e mo d e l a r e d e s i g n e d a n d ma d e Th e t e s t s u n d e r mo n o t o n i c h o r i z o n t a l l o a d a n d f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s a r e c a r r i e d o u t t o s t u d y t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e s t e e l c o n c r e t e c o mp o s i t e t r u s s j o i n t ，s u c h a s t h e d e v e l o p me n t l a w o f s t r a i n， t h e u l t i ma t e b e a r i n g c a p a c i t y ， t h e f a i l u r e mo d e a n d t h e l o a d d i s p l a c e me n t c u r v e s ，e t c Th e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e u l t i ma t e b e a r i n g c a p a c i t y a n d s t i f f n e s s o f t h e s t e e l c o n c r e t e c o rn p o s i t e t r u s s j o i n t wi t h e a r p l a t e me e t t h e d e s i g n r e q u i r e me n t s Th e P B L c o n n e c t o r s h a v e b e t t e r s h e a r c a p a c i t y T h e we a k p a r t o f t h e j o i n t i s t h e c o n c r e t e i n t h e c o r e a r e a o f t h e c h o r d s T h e f a i l u r e mo d e s o f t h e j o i n t ma i n l y i n c l u d e t h e c r a c k i n g f a i l u r e i n c h o r d c o n c r e t e ，t h e b u c k l i n g f a i l u r e o f we b me mb e r a n d t h e y i e l d i n g i n t h e c o n n e c t o r s b e t we e n t h e we b me mb e r a n d t h e e a r p l a t e He n c e ，t h e u l t i ma t e b e a r i n g c a p a c i t y o f t h e j o i n t c a n b e i n c r e a s e d b y i mp r o v i n g c o n c r e t e s t r e n g t h a n d r e i n f o r c e me n t r a t i o o f t h e j o i n t a s we l l a s i n c r e a s i n g t h e t h i c k n e s s o f we b me mb e r Ke y w o r d s ： S t e e l c o n c r e t e c o mp o s i t e t r u s s b e a m；E a r p l a t e ； C o mp o s i t e j o i n t ； Me c h a n i c a l p r o p e r t y ； Ex p e r i me n t a l s t u d y ；Fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s ( 责任编辑吴彬)