空间网架结构钢管混凝土柱节点力学性能足尺试验和研究

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1、空间网架结构钢管混凝土柱节点力学性能足尺试验和研究　　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。试验荷载逐级加载到设计荷载的1.6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

2、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：TU375.3文献标志码：A文章编号：16744764（2013）0600730912空间网架结构钢管混凝土柱节点力学性能足尺试验和研究　　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。试验荷载逐级加载到设计荷载的1.6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

3、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：TU375.3文献标志码：A文章编号：16744764（2013）0600730912近年来一些学者对钢管混凝土柱节点的抗震性能进行了很多有益的探讨，主要研究了钢管混凝土柱与钢梁连接的各种节点的抗震性能并发展了节点抗震性能计算的非线性有限元方法，如：Nishiyama等[1]对10个钢管混凝土柱钢梁节点进行了试验研究，分析了高强度材料对柱节点抗震性能的影响。

4、Zhang等[2]分析了4个加腋型钢管混凝土柱钢梁节点的抗震性能，重点研究了加腋板区域的剪切失效行为，结果显示失效模式对应力分布的特征有重要影响。Kang等[3]研究了方钢管混凝土柱与H型钢连接节点的抗震性能。尧国皇等[4]提出了一种钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁的新型节点形式，节点符合“强柱、弱梁、节点更强”的抗震设计原则。Cheng等[5]研究了4个带钢筋混凝土板的钢管混凝土柱钢梁节点的抗震性能，未观察到节点连接板区域的破坏。Han等[6]通过试验研究了带钢筋混凝土板的钢管混凝土柱钢梁节点的抗震性能，6个试件分别观察到梁失效和柱失效模式。Schneider

5、等[7]研究了钢管混凝土柱与工字型钢梁的不同连接形式对节点抗震性能的影响，结果发现贯通的腹板连接和贯通的翼缘板连接表现出最优滞回循环特性。刘士润[8]对穿透式钢管混凝土柱节点进行了研究，分别得到了节点的延性、耗能能力和转动刚度等参数，并建立了节点连接处抗弯承载力计算公式和受剪承载力公式。霍静思等[9]基于弹塑性有限元理论建立了钢管混凝土柱钢梁节点荷载位移全过程非线性有限元模型。Tort等[1011]发展了一种混合有限元方法，将12自由度梁增加6个平移自由度，来模拟静力和动力荷载下钢管混凝土柱钢梁框架的受力性能。Li等[12]采用有限元方法分析了带钢筋混凝土

6、板的钢管混凝土柱钢梁节点在循环荷载下的抗震性能，分析中考虑了几何非线性和材料非线性，并分析了节点特定参数对抗震性能的影响。这些研究成果极大的促进了钢管混凝土柱节点在工程中的应用。本文介绍了一种新型钢管混凝土柱空间网架节点，采用足尺试验与数值仿真相结合的方法研究了这种复杂节点的受力特性及抗震性能。首先详细介绍了节点足尺试验的试验方案及结果，随后采用有限元ABAQUS对节点的受力性能及耗能性能进行数值仿真，分析中考虑了材料非线性和几何非线性，并考虑了钢管和混凝土之间的接触单元。将有限元结果与试验结果进行比较，吻合较好。有限元结果给出了节点的破坏模式、极限承载力

7、及滞回耗能能力，并给出了节点在各种状态下的应力分布云图。1试验背景某国际博览中心大跨度屋盖结构复杂，主展馆屋盖主要采用空间网架结构，网架结构通过钢管混凝土柱节点与钢管混凝土柱连接。钢管混凝土柱节点与网架结构的连接如图1所示，节点位于柱的顶端，节点底部标高19.335m，网架结构的支管贯通钢管混凝土柱，支管和柱顶端的交汇区域形成钢管混凝土柱节点，该节点实体庞大，受力复杂。柱节点与钢管混凝土柱焊接为整体，内部混凝土同时浇注。柱节点钢管柱的直径为1.412m，各支管通过耳板及肋板与钢管柱连接，并深入钢管柱内部相交，其设计构造如图2所示。由于该钢管混凝土柱节点位于

8、结构的重要位置，且在不同工况条件下柱节点应力变化幅度大，其承载能力