主管内填混凝土对矩形钢管混凝土节点性能的影响

主管内填混凝土对矩形钢管混凝土节点性能的影响

0新型节点的确立设计矩形管道结构的理论相对成熟。在矩形管道的结构中，由于矩形管道的客户管道具有较大的柔软性，因此从方和责任直接焊接的节点通常是结构的脆弱部分，并且经常损坏。如果增加整根主管的截面,这将造成较大的浪费;在节点部位粘贴钢板又影响美观,而且施工比较复杂。为改善矩形钢管节点的受力性能,且不影响结构外形美观,可在节点的主管部分灌注混凝土,即形成了一种新型节点——矩形钢管混凝土节点。Packer曾在研究矩形钢管桁架节点加强方法时,进行了31个矩形钢管混凝土节点承载力的试验研究。为考察主管内填混凝土对矩形钢管节点性能的影响,基于矩形钢管混凝土节点相关性能的研究,以X型矩形钢管混凝土节点为试验对象,研究其在支管轴向受拉荷载和在弯曲荷载作用下的受力性能,重点研究支主管宽度比β(b1/b0)和主管宽厚比γ(b0/2t0)等参数对节点性能的影响,同时进行空管受拉和受弯节点的对比试验,研究矩形钢管混凝土X型受拉和受弯节点的受力性能及承载力计算方法。1测试方法1.1试验节点的参数试验节点构造和受力状态见图1。节点支、主管均为高频焊管,仅主管内填混凝土,采用人工浇捣。为方便加载,在支管端部用厚12mm钢板封闭,受弯节点主管一端也用厚12mm钢板封闭,受拉、受弯节点各设计了一个空管节点。试验节点焊缝厚度为两倍管壁厚度,采用手工直流焊,在焊接成型后完成主管内填混凝土的浇捣,混凝土填充长度750mm。试验节点的几何参数见表1。钢材屈服强度fy按《金属拉伸试方法》(GB228—87)规定的方法由拉伸试验获得,混凝土立方体试块强度fcu按《普通混凝土力学性能试验方法》(GBJ81—85)确定,钢材壁厚3mm时,fy=325MPa;钢材壁厚4mm时,fy=320MPa;fcu=31.1MPa。Packer试验节点,钢材壁厚4.74mm时,fy=443MPa;钢材壁厚7.54mm时,fy=426MPa;混凝土圆柱体试块强度fc=30.0MPa。1.2节点受弯节点试验受拉节点荷载试验在万能试验机上进行,试验装置见图2a,试验节点中与支管端部钢板焊接的锚栓被连接在试验机的自锚式夹具上,试验机产生的拉力通过自锚式夹具传递给节点的受拉支管,加载直到节点破坏。受弯节点试验采用自制的加载装置,加载装置见图2b,支管端部焊接的钢板支撑在支座上,通过千斤顶对主管端部加载使支管受弯,荷载大小由预先标定的荷载传感器确定,加载直到节点破坏。采用数显百分表测试每级荷载下节点支管端部位移及节点区域的变形值,以分析节点的变形特点、承载力及其影响因素,比较分析内填混凝土对节点承载力和刚度的影响,位移测点布置如图2c、d所示。2试验结果及分析2.1拉接节点试验结果及分析2.1.1节点破坏试验试验钢管受拉节点(Xt-018)的变形特点为主管表面外凸,侧壁内凹,破坏时主管外凸变形很大,破坏从支管角部处主管表面局部开始,并沿支管侧壁方向迅速发展,导致支管侧壁附近主管表面剪切破坏。试验钢管混凝土受拉节点的变形特点同样为主管表面外凸,但侧壁受内填混凝土的约束不发生内凹变形,节点破坏模式为主管表面过大的外凸变形,节点Xt-c14,Xt-c26在支管侧壁附近主管表面剪切断裂;节点Xt-c16在支主管连接焊缝处破坏;节点Xt-c21在荷载接近200kN时,节点加载装置螺杆的连接焊缝突然断裂,因此没有测到节点的极限荷载和极限变形。图3为试验节点的破坏情况,节点Xt-c14主管火焰切割后,管内混凝土基本完好。受拉节点试验结果见表2,NTu为节点在试验中达到的极限荷载,N3为节点主管翼缘外凸变形小于主管宽度3%时所对应的荷载,Nu为按Packer推荐的矩形钢管节点承载力公式计算值,表中同时给出了Packer的T型受拉节点的试验结果。矩形钢管混凝土节点承载力试验值与按冲剪破坏模式计算值之比平均为1.57,变异系数为14.3%,与按屈服线破坏模式计算值之比平均为4.50,变异系数为27.7%,可见冲剪破坏模式更接近破坏模式,这与试验节点实际的破坏模式是一致的。表2中,试验值与冲剪破坏、屈服线破坏计算值之比,钢管混凝土节点的均高于钢管节点的,说明矩形钢管混凝土受拉节点的极限承载力较相应矩形钢管节点的有所提高。试验节点Xt-c14和Xt-c16的变形为主管宽度的3%时,所对应的荷载小于按冲剪破坏模式计算的节点承载力,但大于按屈服线破坏模式计算的节点承载力。因此,若根据主管翼缘外凸变形达到主管宽度的3%时所对应的荷载N3定义为节点承载力,β较小、γ较大时,采用冲剪破坏模式进行节点承载力计算是不合适的,宜偏安全地按屈服线破坏模式计算。试验受拉节点和Packer的3个T型钢管混凝土受拉节点均为冲剪破坏模式破坏,表2中Xt-c16,Xt-c26和T2C矩形钢管受拉节点的承载力试验值与按冲剪破坏模式的计算值之比为1.71～1.75,因此对β较大、γ较小的矩形钢管混凝土受拉节点采用冲剪破坏模式计算节点承载力较为合适。2.1.2主管内部混凝土受力图4是受拉节点的荷载-变形曲线,试验过程中空管节点Xt-018支管竖向拉伸,主管翼缘板外凸的同时,腹板内凹,内凹变形主要出现在主管翼缘板弯曲屈服荷载之前,即图中翼缘外凸荷载-变形曲线线性段终点所对应的荷载之前,当荷载进一步增加,主管的翼缘产生膜张力,腹板内凹的同时亦产生薄膜张力,使内凹变形得到逐步恢复,钢管混凝土节点主管腹板内凹位移基本为零。图4b为试验节点主管翼缘外凸变形小于主管宽度3%的荷载变形曲线局部放大,由图可见节点刚度随支主管宽度比β和主管壁刚度(γ减小)增大而增大,矩形钢管混凝土受拉节点的刚度高于矩形钢管受拉节点,原因在于主管内部混凝土阻止了主管侧板的内凹变形和主管角部的转动,从而使主管翼缘板产生较大的膜张力,这与Packer的T型节点试验结果是一致的。然而钢管混凝土受拉节点主管壁较柔,支主管宽度比β较小时,在荷载作用下也会产生相对较大的变形,因此Packer建议采用矩形钢管受拉节点的承载力计算公式计算,但这样在计算β较大、γ较小的钢管混凝土节点的承载力时则过于保守。2.2弯曲节点试验结果及分析2.2.1受弯节点破坏情况试验受弯节点的典型破坏情况见图5。试验矩形钢管受弯节点(Xb-018)的破坏模式为支管受压翼缘处主管侧壁鼓曲,表面内凹,受拉翼缘处主管表面轻微外凸;试验矩形钢管混凝土受弯节点由于主管内填混凝土的作用,节点主管表面支管受拉翼缘处外凸变形较大。当β较小时,支发生管整体过大转动变形或弯曲变形或支管根部焊缝受拉破坏,节点Xb-c26,Xb-c16和Xb-c14支管根部受拉边的两个角点首先出现裂缝,然后整个受拉边断裂;当β较大时,节点Xb-c21支管根部受压边发生局部屈曲破坏。Xb-c16主管内混凝土支管受压边有轻微的压印。试验受弯节点破坏荷载和破坏形式见表3,表中NTu为主管端部作用的破坏荷载,根据图1,可知作用于支管的节点破坏弯矩MTu=0.3NTu/2,0.3为支管长度(m)。屈服线失效和有效宽度失效节点受弯承载力理论值是根据矩形钢管节点相应破坏模式的受弯承载力计算公式得到的。比较节点Xb-018和Xb-c16的破坏荷载,可见主管内填混凝土提高了节点的受弯承载力。由表3和表1可知,矩形钢管混凝土受弯节点破坏荷载与支主管宽度比β、主管宽厚比γ的关系较为密切,β愈大、γ愈小,节点破坏荷载愈高,将理论值与试验值相比可以发现采用支管有效宽度破坏模式计算矩形钢管混凝土节点受弯承载力更为合理,能够反映节点实际的破坏形式。2.2.2钢管混凝土节点受弯刚度分析图6是试验受弯节点的主管端部荷载-位移曲线图,由于主管内填混凝土的作用,主管翼缘受压边凹陷变形受到限制,变形能力主要来自于主管翼缘受拉边的鼓起变形,因此矩形钢管混凝土节点弹性阶段抗弯刚度高于对应的钢管节点,比较图中节点Xb-c16和Xb-018的荷载位移曲线,矩形钢管混凝土受弯节点承载力提高的同时,变形能力也得到了提高。随着节点主管壁厚的增加、支主管宽度比β的增大,节点的承载力提高,但变形能力下降。3钢管节点对混凝土节点破坏模式的影响试验结果表明主管内填混凝土能够改善节点的受力性能,提高节点的刚度和承载力储备,支主管宽度比β和主管宽厚比γ是影响矩形钢管混凝土受拉和受弯节点承载力的主要影响。与矩形钢管节点相同,支主管宽度比β越大、主管宽厚比γ越小,矩形钢管混凝土节点受拉和受弯承载力越高,节点刚度越大。与矩形钢管节点不同的是,由于主管内填混凝土的作用,节点破坏模式有所变化。根据试验结果,并考虑主管与支管之间夹角θ的影响,建议套用矩形钢管节点相应破坏模式的承载力计算公式的方法来计算矩形钢管混凝土受拉和受弯节点承载力。3.1有效宽度tt支主管宽度比β<0.85的受拉节点承载力按屈服线破坏模式计算,受拉支管承载力为Νu=fy0t20(1-β)sinθ[2h1b0sinθ+4√1-β](1)Nu=fy0t20(1−β)sinθ[2h1b0sinθ+41−β−−−−−√](1)支主管宽度比β≥0.85时按冲剪破坏和有效宽度破坏模式计算,取较小值。有效宽度破坏Νu=fy1t1(2h1-4t1+b1+be)(2)Nu=fy1t1(2h1−4t1+b1+be)(2)冲剪破坏Νu=√33fy0t0(2h1/sinθ+b1+bep)/sinθ(3)Nu=3√3fy0t0(2h1/sinθ+b1+bep)/sinθ(3)式中,θ为受拉支管与主管夹角;be=10b0/t0fy0t0fy1t1b1≤b1be=10b0/t0fy0t0fy1t1b1≤b1为支管翼缘有效宽度;bep=10b0/t0b1≤b1为有效冲剪宽度;fy1和fy0为受拉支管和主管钢材的屈服强度。3.2矩形钢筋混凝土的主支管的弯曲载荷Μu=fy1[Ζ1-(1-be/b1)b1t1(h1-t1)](4)Ζ1=b1h1t1+t1(h1-2t1)22为支管塑性抵抗矩。4矩形钢管混凝土x型节点受力性能通过矩形钢管混凝土X型节点受拉和受弯性能试验,研究了节点的破坏模式及参数对节点性能的影响,并和矩形钢管X型节点进行了对比试验,得出如下结论:(1)主管内填混凝土阻止了主管侧壁的内凹变形,改善了节点的受力性能,提高节点的刚度和承载力。支主管宽度比和主管宽厚比是影响矩形钢管混凝土X型节点受拉和受弯承载力的