空间网架结构钢管混凝土柱节点力学性能足尺试验及分析.pdf

第 3 5卷 第 6期 2 O 1 3年 1 2月 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 J o u r n a l o f Ci v i l 。Ar c h i t e c t u r a l E n v i r o n me n t a I En g i n e e r i n g Vo l _ 3 5 No ． 6 De c ． 2O 13 d o i 1 0 ． 1 1 8 3 5 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 4 4 7 6 4 ． 2 0 1 3 ． 0 6 ． 0 1 2 空间网架结构钢管混凝土柱节点力学 性 能足 尺试 验及 分析 李明方 ， 蔡元 奇 ， 卢云祥。 ，娄 泽方 1 ．武汉科技 大学 理 学院，武 汉 4 3 0 0 6 5 ； 2 ．武汉大学 土木建筑工程 学院， 武汉 4 3 0 0 7 2 ； 3 ．贵 州省建筑科 学研 究检测 中心， 贵 阳 5 5 0 0 0 6 ； 4 ． 中信 建筑设计研 究总院有 限公 司，武汉 4 3 0 O 1 4 摘 要 采 用足 尺试 验 与数 值 仿 真相 结 合 的 方法研 究 空 间网 架结 构 中的钢 管混凝 土 柱 节点 的 受 力 及 抗震 性 能 。试 验荷 栽逐 级加 载到 设计 荷载 的 l _ 6 倍 并观 测柱 节 点 的 变形 与应 力 。试验 结 果表 明 试 验荷 载 下柱 节点钢 结构 部分 基本 处 于弹性 状 态 ， 混凝 土极 小部 分 区域超 出压应 力极 限 ， 钢 管与 混 凝土粘接 良好 。非线性有限元分析结果揭示了柱节点在低周往复荷载作用下的滞回耗能能力和破 坏特征 ， 指 出了柱 节点承载的薄弱位置 ， 给 出了柱 节点的极 限承载力。结果表 明， 足尺试验与数值 计算相结合的方法可以全面揭示柱节点的受力特性及抗震性能。 关 键词 钢 管混凝 土 柱节 点 ； 足 尺试 验 ； 非线性 有 限元 ； 极 限承载 力 ； 滞 回耗 能能力 中图分 类号 T U3 7 5 ． 3 文献标 志码 A 文 章编 号 1 6 7 4 4 7 6 4 2 0 1 3 0 6 0 0 7 3 0 9 Fu l l S c a l e Te s t a n d An a l y s i s o f S t e e l Tu b u l a r Co l u mn M e c ha ni c a l Be ha v i o r o f Co n c r e t e Fi l l e d No d e i n S pa c e Tr u s s S t r u c t u r e Li M i n g f a n g ，Cai Y u an q i 。 ，Lu Yu n x i an g。 ，Lo u Ze f an g 1 ．Co l l e g e o f S c i e n c e ，W u h a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y，W u h a n 4 3 0 0 6 5，P ． R． Ch i n a ； 2．Sc ho ol o f Ci vi l En gi ne e r i n g，W u ha n Uni v e r s i t y，W uha n 43 00 72，P． R． Chi na； 3．Co ns t r u c t i on Sc i e nt i f i c Re s e ar c h Te s t i ng Ce nt e r o f Gui z h ou Pr ov i nc e，Gu i y a ng 55 0 006，P．R．Chi na； 4 ．CI TI C Ge n e r a l I n s t i t u t e o f Ar c h i t e c t u r a l De s i g n a n d Re s e a r c h Co ． ，Lt d ，W u h a n 4 3 0 0 1 4，P． R． Ch i n a Ab s t r a c t To i n v e s t i g a t e me c h a n i c a 1 b e h a v i o r a n d s e i s mi c b e h a v i o r o f c o n c r e t e f i l l e d s t e e l t u b u l a r c o l u mn no de CFSTCN i n s pa c e t r us s s t r u c t u r e， bo t h f u l l s c a l e t e s t a nd Fi ni t e El e me nt M e t ho d FEM we r e e mpl o ye d．The t e s t l oa d wa s 1 ． 6 t i me s o f de s i g n l o a d a nd b y i nc r e me nt a l s t e p l o a d i ng ． M e a n whi l e。s t r e s s a nd d e f or ma t i o n i n CFSTCN we r e o bs e r v e d t o mon i t o r be a r i ng c a p a c i t y o f t h e no d e ．The r e s u l t s s ho w t ha t s t e e l t u bu l a r wo r ks i n e l a s t i c s t a t e a nd a s m a l l pa r t o f c o nc r e t e be y on d o f c o mpr e s s i ve s t r e s s l i mi t s；s t e e l t u b e a n d c o n c r e t e a d h e s i v e we l 1 ．Th e h y s t e r e t i e e n e r g y d i s s i p a t i o n c a p a c i t y a n d f a i l u r e mo d e u n d e r c y c l i c l oa di n g we r e r e v e a l e d b y n on l i ne a r FEM ． we a ke s t p os i t i o n a n d u l t i ma t e be a r i ng c a pa c i t y o f t he no de we r e o bt a i ne d f r om FEM r e s ul t s ． The m e t ho d o f c o m b i ni n g f u l l s c a l e t e s t a nd FEM c a n we l 1 r e v e a l t he me c h a ni c a l be h a v i or a nd t he s e i s mi c be ha v i o r o f t he n od e ． Ke y wo r d sc o nc r e t e f i l l e d s t e e l t ub ul a r c o l umn no de ； f ul l - s c a l e t e s t ； n on l i ne a r f i ni t e e l e me n t m e t ho d ul t i m a t e b e a r i n g c a pa c i t y；hy s t e r e t i c e ne r gy d i s s i p a t i o n c a pa c i t y 收稿 日期 2 0 1 2 - 0 8 1 0 基金项 目 中央高校基本科研业务费专项资金 2 0 1 1 2 1 0 0 2 0 2 0 0 0 4 ； 湖北省交通厅基金项 目 2 0 1 2 8 5 7 2 1 6 作者简介 李 明方 1 9 8 3 一 ， 男 ， 博 士 ， 主要从事结构流 固耦合数值仿真研究 ， E - ma i l w h u l mf w h u ． e d u ． e n 。 蔡 元奇 通信作者 ， 男 ， 教授 ， 博士生导师 ， E ma i l c a i y u a n q i y e a h ． n e t 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6 期 李 明方 ， 等 空 间 网架结构 钢 管混凝 土柱 节 点力 学性 能足 尺 试验及 分析 7 5 靠性做 出评价 ； 通过足尺试验检验柱节点 的设计 与 施 工质 量 ； 通 过 对 足 尺模 型在 设 计 荷 载 下 的变 形 与 应 力观测 ， 了解节 点在 正 常工作 状 态下 的受力 机 理 ， 直接了解节点的实 际承载情况 ， 借 以判断其实 际承 载能力 ， 得到安全储备能力 ， 保障结构安全。 2 通过数值仿真分析钢管混凝土柱节点在低周 往复荷载作用下的受力性能 ， 尤其是分析柱节点进 入 塑性 后 的工 作 状 态 、 破 坏 形 式 和 破 坏 机 理 。对 于 受 力 复杂 的钢 管 混凝 土柱 节 点 ， 只有 进 行 弹塑 性 分 析 ， 才 能从 本质 上 了解节 点 的受力 性 能 ， 从 而 得 到 钢 管混凝土柱节点的极限承载力及其影响因素。 表 1 Q 3 4 5钢管材料特性参数 2 足尺试 验 2 ． 1加载 系统及试 验模 型设 计 钢节点试验中的关键环节是设计 出安全可靠的 加载系统 ， 其中包括反力装置、 加载设备 、 加载控 制 系统 和加 载方案 等 。本次 试验 的反 力 装 置 主要 利用 武汉大学结构试验大厅三面 L型反力墙和大型承力 架 。把试件放在大型承力架 的空间 内， 综合利用 L 型反力墙和大型承力架， 可以实现 多杆件任 意角度 同时加载 。试验加载设备 主要为液压加载设备 ， 有 手动 液压 加载 器 、 电动 液 压 加 载器 和 液 压伺 服操 作 平 台 ， 并配 合 与之 匹配 的单 向液压 千 斤 顶 和 双 向 液 压张 拉顶 。 柱节 点试 件采 用 1 1 足 尺试 件 ， 试 件 制作 标 准 与实 际工程 中的节点 相 同 。试 验 中为 了减 小加 载 装 置对试 验节 点 应 力分 布 的影 响 ， 各 支 管 均 取 一 定 的 外伸尺寸 ， 外伸尺寸结合反力墙、 反力架 和加载装置 的尺寸综合确定得到。支管端加封头板和加劲肋 ， 以保证节点在加载过程中不会 因杆端局部集中受力 而首先破坏。各支管尺寸如表 2 所示。 2 ． 2应 变及 位移 测点 布置 应变 片测 点共 分 四类 ， 总计 2 0 9个 测 点 ， 如 图 3 和 图 4所 示 。第 一类 测 点监 测 各 支 管 的轴 力 ， 采 用 单 向应变 片 ， 测 点 编 号 S 1 ～ 3 2 。第 二 类 测 点 监 测 柱节 点钢 管壁 上 的应 力 ， 采用 应变 花 ， 测点 布 置在 各 支管 与柱 相交 的焊缝 附近 ， 沿 柱各 高程 距 试件 柱 脚 0 ． 7 、 1 ． 7 、 3 ． 5 、 4 ． 7和 5 ． 7 m 亦 布 置测 点 ， 测 点 编 号 T1 ～T3 2和 T3 7 ～T5 5 。第三类测点监测各支管耳 板上 的应 力 ， 采用 应 变 花 ， 测 点 编号 T 3 3 ～T3 6 。第 四类测 点 监 测 柱 节 点 内部 连 接 板 应力 ， 编 号 S B 1 ～ S B 6和 TB 1 ～TB 2 ， 浇注 混凝 土 后 ， 第 四类 测 点被 混 凝 土包 围 。 柱节 点 试 件 和 千 斤 顶 均 由 螺 栓 固定 在 反 力 墙 上 ， 试验过程 中试件和千斤顶可能会滑动 ， 产生刚体 位移 ， 导 致加 载 偏 心 等 问题 。为此 在 柱 节 点 试 件 的 底部 、 中部和 顶部 布置位 移测 点进 行监 测 ， 底 部测 点 采用 电子 位 移计 ， 测 点 编号 Wl ～w2 ， 中部 和顶部 采 用全站仪 ， 测点编号 Q1 ～Q 2 ， 位移测点布置如图 4 所示 。加载偏心可能使受压杆件失稳 ， 不能达到试 验 目的 ， 4 支 管 受 压 荷 载 较 大 ， 杆 件 最 长 ， 因 此 在 4 支管 中部 布 置 两个 位 移 测 点 监控 压杆 的加 载 状 况 ， 采用 电子 位移 计 ， 测 点编 号 W3 ～w4 。 表 2 试 件各支管尺寸、 荷载及 加载方式 杆件编号 直径／ mm 壁厚／ ram 试验荷载／ k N 加 载装置 加载控制 杆件长／ ram 9 0 2 ． 1 1 0 0 T单 向顶 1 0 0 T传感器 2 3 3 5 1 5 T单 向顶 6 O T张拉顶 2 5 0 T单 向顶 2 3 0 0 T单 向顶 2 1 0 0 T 张拉 顶 3 O T单 向顶 1 5 T张拉顶 1 0 T传感器 6 0 T传感器 3 0 0 T传感器 2 3 0 0 T传感器 2 1 0 0 T传感器 3 0 T传感器 1 0 T传感器 1 2 3 4 5 6 7 8 柱 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第3 5卷 图 3钢管柱 外表面应变片测点布置 图 图 4 钢管柱 内部连接板上应变片测点及 柱 节点位移 测点布置 图 2 ． 3 加 载 根据 规范 l 1 ， 钢 节点 做检 验 性试 验 时 试 验 荷 载 不应 小 于荷载 设计 值 的 1 ． 6 倍 。综 合 实验 室 的加 载 条件 ， 试 验荷 载取 为 1 ． 6 倍 最 不 利 工 况 下 的 设计 荷 载 ， 加载方式为单调加载 。最 不利荷载工况为温度 荷 载与 恒载组 合 的工 况 。在 此 试 验 荷 载作 用 下 ， 最 大荷载 约为 4 7 6 t ， 已 接 近 实验 室加 载 的极 限 条 件 。 柱 脚 以 1 0个 螺 栓 固定 于地 面反 力 墙 上 ， 如 图 5所 示 ， 各杆 件均 采用 液压 千斤顶 主动 加 载 ， 并根 据试 验 荷载选 择合 适 的 千斤 顶 和 力传 感 器 ， 各 支 管 试 验 荷 载及加 载方 式如 表 2 所 示 。 后 预加 载 2 0 ， 以消 除 安 装 间 隙 ， 同时 调 试 测 试 系 统和应变片工作状态。预加载时密切观测杆件上单 向应 变计 的应 变 ， 逐步 调整加 力点 位置 ， 直 到各 支杆 中部截 面各 应 变一 致 为 止 。预 加 载 完 成后 ， 对测 试 系统 调零 开始 试 验 ； 共 分 1 9级 同步加 载 ， 其 中第 1 4 级为设 计荷 载 。每级 加 载完 成 后 停 留 1 0 mi n ， 再 采 集数 据 。加 载 到最 大试 验荷 载 并 完 成 数 据 采 集后 ， 进行分级卸载 ， 完全卸载后采集各测点残余应变。 3 试验数据分 析 3 ． 1 荷 载校核 试验 过程 中为 了确保 每个支 管 上施 加 的荷 载达 到设计要求 ， 在各支管中部布置 4个相差 9 0 。 、 沿杆 轴 向 的单 向应 变 片来 监测 支管 上实 际轴 力 。轴 力计 算 采用 线弹性 理论 ， 应变 取 4 个 应 变片 的平 均值 ， 这 样 可 以有 效消 除弯矩 的影 响 。轴 力 的监 测结 果 如 图 6 所示 。从 图 6可见 ， 各支 管在试验 中测得的轴力 与设计 值基本 吻合 ， 说 明试验 达到 了设 计要 求 ， 其结 果可靠 。 位 移测 点监 控 的位移 数 据 如 图 7所示 。由 图 7 可见 ， 柱节点底 部 的测 点位移值 很小 ， 最 大约 1 ． 5 mm， 可 以判 定试 验 过 程 中试 件 没 有产 生 刚 体 位 移 。 其他各测点位移变化平稳 ， 无跳跃 ， 最大位移不超过 1 5 mm， 没有 出现 失 稳 现 象 ， 试 验 满 足 相 关 规 范 要 求[ 1 ， 加载过程可靠。由柱节点的位移监测数据可 见 ， 钢管混凝土柱上明显存在弯矩作用， 其上 的水平 位移 主要 由弯矩 引起 。 1 Z 喜一 1 4 4 2 鬟 试验荷载加载级别 注1 2 4 ￡ 5 o一 6 x 7 -十 一 8 图 6 轴 向荷载加载过程 图 7位移测点 结果 图 5钢管混凝土柱节点试验加载现场 3 ． 2 试 验 结果分 析 为 了保 证加 载 的准 确性 ， 试 件 安装 时应 特 别 注 实 际上柱 节点 的每 一 点 都 处 于 三 向应 力 状 态 ， 意偏心问题 。首先用激光测距仪进行初步对中， 然 通过应变片和应变花只能获取其两个方 向的主应变 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第6 期 李明方 ， 等 空间网架结构钢管混凝土柱节点力学性能足尺试验及分析 7 7 值 。由于杆 件壁 厚 有 限 ， 各 测 点 沿 壁 厚 方 向 的应 力 分 量 比杆件 表 面方 向 的应 力 小 很 多 ， 因此 杆 件 表 面 区域可 以假 定为平 面应力状 态 。已有 相关 文献 通 过 计算和实验表明了该 假定的可靠性[ 1 。 ， 在数据处 理 时 ， 通过 平面 应 力 假 定计 算 得 到 的应 力 值 与 有 限 元 结果 也较 为 吻合 。 由应 变花 三个 方 向 的应 变数 据 可求得 主应 变 } 一 告 。 e 2】 1 进而 可得 主应 力及 Mi s e s 应力 l 一 _ 兰 ￡ 1 2 l } 2 F l 2一 _兰 e 2 1 l l J r _ 一 M一 √ 专 [ ； 一 z ] 3 各 支 管与 柱相 交 的位 置 容 易 出现 应 力 集 中 ， 是 柱节 点破 坏 的薄弱 位置 。图 8给 出 了试 验荷 载下 各 支管与柱相交的焊缝 附近 的应力值 ， 图 9给出了四 个支 管耳 板上 的应 力 值 。 由 图可 见 ， 在 试 验 荷 载 作 用下 ， 焊缝附近和耳板上的应力都处于弹性范围内。 柱节 点各 高程 上随 加载 过程 的应 力值 如 图 1 O所 示 ， 柱节点钢管壁也处于弹性状态 ， 同一高程上 的四个 测点 Mi s e s 应力存在较大差异 ， 表 明节点柱上有 弯 矩作 用 。图 1 1所 示 为 钢 管 内连 接 板 上 的应 力 值 ， T1和 T2测点 的应 力 变 化 为非 线 性 ， 表 明钢 管 内混 凝土 已进 入非 线性 变形 阶段 。 0． 2 0 ． 4 0 ． 6 0 ． 8 1 0 1 ． 2 1 ． 4 l 6 试验荷 载加载级别 注 ． _T 2 1 柳 - T 5 2 ] T l l 3 - 4 - T ] 6 4 o T 1 9 5 竹 一 T 2 3 6 一 T 2 7 7 却 - - T 3 1 8 舯 图 8 支管根 部的 Mi s e s 应 力 0． 2 0． 4 0 ． 6 0 ． 8 1 0 1 2 1 ． 4 1 ． 6 试验 荷载加载级别 注 T 3 3 1 一T 3 4 3 一T 3 5 4 e 一T 3 6 ㈣ 图 9支管耳板上 的 Mi s e s 应力 表 3给出了钢管混凝土柱节点上各测点试验中 的最 大 Mi s e s 应 力 。从 表 中可 见 ， 各 测 点 的 应力 值 都在 弹 性 范 围 内， 其 中 T3 6测 点 的应 力最 大 ， 为 2 0 5 ． 3 MP a 实 测 值 和 2 2 2 ． 0 MP a F E M 值 。 钢 日 20 0 量 1 6 0 8 0 。 O 试验荷载加载级别 注 T 3 7 0 ．7m T 4 1 t ． 7m T 4 5 3 5Il 1 T 4 9 4 ．7 m T 5 3 5 ． 7 m O 0 垂 ．1 2 0 O 0 ．2 0 ． 4 0． 6 0． 8 1 ． 0 1 ． 2 1． 4 1 ． 6 试验荷载加载级别 ；庄 T 3 o ．711“1 一T 4 2 1 7mT 4 6 3 5In - T 5 o 4 7m1- c ．- 5 4 5 ． 7m1 1 5 0 1 2 0 善 9 O 6 0 器 3 O 皇0 0 ．2 04 0． 6 0 ． 8 1 ． 0 1 2 1 4 1 6 试验荷载加载级别 注 T 3 9 o 7mT 4 3 1 ． 7 m】T 4 7 3 ． 5In T 5 1 4 ．7 m1- D -T 5 5 5 ． 7 m 1 ∞ 1 0 0 ．薰 ．蓍 皇 【 J 0 2 0 ． 4 06 0． 8 1 ． O 1 ． 2 1 ． 4 1 ． 6 试验荷载加载级别 注 T 4 o o ．7 m T 4 4 1 ．7 m。 ． 。T 4 8 3 ． 5 m T5 2f 4． 7m1 图 1 0柱节点各高程上的 Mi s e s 应 力 毫 厦 一 衄L O． O O． 2 0 ． 4 0 ． 6 0． 8 1 ． O 1 ． 2 l _ 4 1_ 6 试验荷载加载级别 注 S B1 一 S B 2 十 S B 3 S B 4 - o - S B 5 - o -S B 6 喜 3 。0 图 管 混凝 土柱 节点试 验荷 载下所 有测 点 都处 于 弹性 状 态 ， 还有 较大 的继 续 承载 能力 。实测 应 力 与 有 限 元 结 果吻合 较好 ， 但 试 验 结 果 与 有 限元 计 算 结 果 存 在 一 定差 异 ， 其 主要 原 因是有 限元计 算条 件 较 为理 想 ， 试 验测试 应 变为局 部 的平均 结果 。试 验 完成 后钢 管 混 凝土 柱节 点试件 表 面完好 ， 没有 明显 的残余 变 形 ， 没 有破 坏现 象 。剥 开节 点柱 外 壁 钢 板 ， 混 凝 土 未 见 破 坏 ， 这 表 明钢管 内混 凝土工 作 正常 ， 钢 管混 凝土 柱 节 点还 有继 续 承载 的能 力 。由此 可 见 ， 钢 管 混 凝 土 柱节 点 的极 限承 载力 大 于 1 ． 6倍 的设 计 荷 载 ， 节 点 满足规范 相关规定 ， 达到设计要求， 在工程中能保 证安 全工 作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 8 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第 3 5 卷 表 3各测点实测与 F E M 最 大 Mi s e s 应力对 比 测点 实测／ MP a F E M／ MP a 误差／ 测点 实测／ MP a F E M／ MP a 误差／ T2 4 1 ． 8 4 0 ． 0 4 ． 3 T3 8 8 6 ． 0 8 8 ． 0 2 ． 3 T5 5 3 ． 8 2 7 ． 0 49 ． 8 T4 2 7 6 ． 8 81 ． 3 5 ．9 T1 1 1 3 9 ． 0 1 4 2 ． 7 2 ． 7 T4 6 4 2 ． 2 41 ． 5 1 ． 7 T1 6 4 1 ． 8 4 8 ． 5 1 6 ． 1 T5 0 2 2 ． 2 1 7 ． 6 2 0 ． 9 T1 9 8 3 ． 0 7 8 ． O 一 6 ． 0 TB1 4 1 ． 8 2 6 ． 5 3 6 ． 6 T2 3 1 5 8 ． 0 1 7 6 ． 7 l 1 ． 8 TB2 5 9 ． 6 5 1 ． 8 1 3 ． 1 T2 7 4 4 ．1 4 7 ． 8 8 ． 4 SB1 1 4 ． 1 2 1 ． 1 4 9 ． 3 T3 1 2 3 ． 8 3 5 ． 0 4 7 ． 2 SB2 1 9 ． 0 3 0 ． 9 6 2 ． 3 T3 3 l 2 9 ． 1 1 4 1 ． 9 9 ． 9 S B3 1 8 ． 0 2 5 ． 3 4 0 ． 4 T3 4 8 l _ 1 9 1 ． 8 l 3 ． 2 S B4 1 9 ． 1 2 2 ． 4 l 7 ． 3 T3 5 1 8 1 ． 8 1 9 7 ． 0 8 ． 3 S B5 1 7 ． 6 1 1 ． 9 ～ 32 ． 3 T3 6 2 O 5 ． 3 2 2 2 ． 0 8 ． 2 S B6 1 4 ． 3 1 1 ． 5 一 l 9 ． 4 4 数值分析 钢 管混凝 土柱 节 点 受 力 复 杂 ， 采 用 足 尺 试 验 与 数值仿真相结合的方法可以更全面的把握节点的受 力状态 。足 尺试 验 受 到实 验 室 加 载 条 件 的 限 制 ， 反 复荷载 加 载装置 更 受 到 加 载 吨位 的 限制 ， 同 时足 尺 试 验 时钢管 内部 混 凝 土 的应 力状 态 不 易 监 测 ， 而 数 值仿真加载不受限制， 并且可 以比较准确 地模拟试 验过程 中混 凝土 的应 力状 态 ， 包 括混 凝 土 的开裂 、 软 化等 ， 更全 面 的反 映节 点 的 受 力性 能 。本 文 采 用有 限元 软件 AB AQUS对柱 节 点试 件 进 行加 载 过 程分 析 ， 首先进 行试 验荷 载下 静力有 限元 分 析 ， 将 有 限元 结果 与试 验结 果对 比， 验 证 了有 限元方 法 的正 确性 ， 随后继续加载 ， 得到了柱节点的极限承载力 ， 最后分 析 了柱 节点 在低 周反 复荷 载作用下 的力 学性 能 。 数值计算模型中钢管、 耳板、 加劲肋及 内部连接 板采用 壳单 元 ， 混 凝 土 采用 实 体 单 元 。模 型 忽 略钢 管 、 连接 板 与混凝 土之 间 的滑移 ， 认 为钢 管层 和 混凝 土层 之间保 持位 移连 续l 1 。钢管 混凝 土柱 中现场 浇注了 C 4 0自密实混凝土 ， 数值仿真中混凝土的本 构关系采用了混凝土损伤塑性模型l 1 。混凝土的 应力 一应 变 曲线及 损伤 因子采 用混 凝 土结 构设 计 规 范 中 的公 式计 算 。钢 管部 分 根 据 现场 材 质 实验 ， 本 构关 系 采 用 平 顶 三 折 线 模 型 。钢 材 屈 服 强 度 3 4 5 MP a ， 拉 伸强 度 5 0 0 MP a 。反 向加 载 时 ， 采 用 随 动硬化模 型 ， 即考 虑包 辛格 效应 。 数值 仿 真分 3种加 载方 案 。方 案 一对 柱 节点 进 行简单加载， 即保持各支管荷载的比例， 逐步增加到 试验 荷 载 ， 将结 果与试 验 结果对 比 ， 验证 有 限元 方法 的正 确性 。方 案二 在 方 案 一 的 基 础上 继 续 加 载 ， 直 至计算不收敛 ， 以期得到柱节点的极 限承 载力 。方 案 三对 柱节点 施 加 低周 反 复 荷 载 ， 考 查 柱 节 点 在循 环 荷载 作用下 的力 学性 能 ， 加 载制 度如 图 1 2 所 示 。 逆 里 萋 一 一 O 3 6 9 1 2 1 5 1 8 时间 图 1 2 荷载加载制度示意 图 铽 辖 3． O 2 ． 5 2 ． 0 1 _ 5 1 _ O O ． 5 O 3 0 6 0 9 0 1 2 O 1 5 0 1 8 0 标星位移／ ra m 图 l 3柱节点 6 支 管端部某点 的荷载位移 曲线 表 3给出了钢管混凝土柱节点上部分测点的有 限元结果和试验结果 。实测应力与有 限元结果吻合 较好 ， 但存在一定差异， 其主要原因是有限元计算条 件较为理想 ， 试验测试应变为局部 的平均结果并存 在一 定 的误差 。有 限元 结 果 和 试 验结 果 相 互 印证 ， 一 方面证 实 了足 尺 试 验 的可 靠 性 ， 另 一 方 面 验证 了 有 限元方 法 的正 确 性 ， 使 用有 限元 方 法 进行 后 续 分 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 O 土 木 建 筑 与 环 境 X -程 第 3 5卷 回 曲线 形状 比较饱 满 ， 节点 的耗能 能力 较强 。 表 4柱 节 点 各 项 耗 能 指 标 柱节点各项耗能指标如表 4所示 ， 总体上节点 等效粘滞阻尼系数随位移的增大而增大 ， 在接近极 限状态时 ， 等效粘滞阻尼系数达到 0 ． 2 5 6 ， 平均能量 耗 散 系数达 到 1 ． 5 7 ， 功 比指 数 达 到 9 ． 4 2 ， 这 表 明节 点 具有 良好 的耗 能能力 。 5 结 论 通 过对 空 间网架结 构钢 管混凝 土 柱 节点 承载 力 试 验 和有 限元 分 析 ， 可 得 以下 结论 1 在 1 ． 6倍 设计 荷 载 作 用 下 ， 钢 管 混 凝 土 柱 节 点 基本 处于 弹性 状 态 ， 钢 管 内混 凝 土局 部 区域 进 入 塑 性状态 。卸载后 节点 完好 ， 剥开 外部 钢 管 ， 内部 的 混 凝土 未见 破 坏 ， 钢管 内混 凝 土 工 作 正 常 。节 点 满 足设计要求 ， 有足够的安全储备。 2 柱节点破坏模 式为单根 支管 6 支管 首先形 成 塑性 铰而使柱 节点达到承 载力极 限状态 ， 柱节 点极 限承载力约为 2 ． 7 4 倍设 计荷载 ， 安全储备 较高 。 3 节点 的滞 回耗 能 曲线 较 为 饱 满 ， 反 复 荷 载 作 用 下节 点 的耗能 能力 较强 ， 节点设 计合 理 。 4 数值仿真 的计算条件较 为理想 ， 计算结果与 试 验结 果有 一 定 差异 ， 进 行 足尺 试 验 十分 必 要 。数 值仿真是足尺试验 的有力补充， 数值计算 给出了柱 节 点 的极 限承载 力及 节点在 低周 反 复荷 载作 用下 滞 回耗 能 曲线 。足尺 试 验 与 数值 仿 真 互 为补 充 ， 相 互 印证 ， 将二者相结合可以全面 了解 此类柱节点 的受 力 特性 及抗 震性 能 。 参考 文献 [1 ]Ni s h i y a ma I ， F u j i mo t o T， F u k u mo t o T， e t a 1 ．I n e l a s t i c f o r c e d e f o r ma t i o n r e s p o n s e o f j o i n t s h e a r p a n e l s i n b e a m- c o l umn mo me nt c o nn e c t i on s t o c o nc r e t e f i l l e d t u b e s[ J ] ．J o u r n a l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g ，2 0 0 4 ， 1 30 2 24 4 2 5 2． [ 2]Z h a n g D X，G a o S B， G o n g J H．S e i s mi c b e h a v i o u r o f s t e e l be a m t o c i r c ul a r CFST c o l u mn a s s e mbl i e s wi t h e x t e r n a l d i a p h r a g ms [ J ] ． J o u r n a l o f C o n s t r u c t i o n a l St e e l Re s e a r c h，2 01 2，7 6 9 15 5 1 66 ． [3]Ka n g C H，S h i n K J ，Oh Y S ，e t a 1 ． Hy s t e r e s i s be ha vi or o f CFT c o l u mn t o H b e a m c on ne c r i o ns wi t h e x t e r n a l T s t i f f e n e r s a n d p e n e t r a t e d e l e me n t s [ J ] ． J o u r n a l o f En g i n e e r i n g S t r u c t u r e s ，2 0 0 1 ，2 3 9 1 1 9 4 12 O1 ． [4 ]尧 国皇 ， 黄用 军 ， 郑 小鹰 ， 等．新型 钢管混凝 土柱 钢 筋 混凝土 梁节 点 试 验研 究 E J 2 ． 工业 建 筑 ， 2 0 1 0 ， 4 0 7 1 OO 1 O 4 Ya o G H，Hu a n g Y J，Z h e n g X Y，e t a 1 ．Ex p e r i me n t a l s t u d y o n b e h a v i o r o f j o i n t o f C FS T c o l u mn RC b e a m [ J ] ．I n d u s t r i a l C o n s t r u c t i o n ， 2 0 1 0 ， 4 0 7 1 0 0 1 0 4 ． [5] C h e n g C T， C h a n C F ，C h u n g L L ．S e i s m i c b e h a v i o r o f s t e e l b e a ms a nd CFT c o l u mn mome n t - r e s i s t i n g c o nn e c t i o ns w i t h f l o o r s l a b s [ J ] ． J o u r n a l o f C o n s t r u c t i o n a l S t e e l Re s e a r