橫截面為矩形的圓鋼管混凝土桁架整體性能試驗研究

王 萌 (中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院，山東 青島 266555)

銀永明 (中原石油勘探局勘察設計研究院，河南 濮陽 457001)

陳 譽 (中原石油勘探局勘察設計研究院，河南 濮陽 457001；華僑大學土木工程學院，福建 廈門 361021)

高勝偉 (華僑大學土木工程學院，福建 廈門 361021)

橫截面為矩形的圓鋼管混凝土桁架整體性能試驗研究

王 萌 (中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院，山東 青島 266555)

銀永明 (中原石油勘探局勘察設計研究院，河南 濮陽 457001)

陳 譽 (中原石油勘探局勘察設計研究院，河南 濮陽 457001；華僑大學土木工程學院，福建 廈門 361021)

高勝偉 (華僑大學土木工程學院，福建 廈門 361021)

對橫截面為矩形的圓鋼管混凝土桁架進行了三分點單調加載試驗研究，實施了一個橫截面為矩形的上弦灌混凝土圓鋼管桁架整體抗彎承載力試驗。介紹了桁架整體性能的試驗方案，揭示了結構整體破壞形象和節點破壞模式，給出了加載點荷載-跨中位移曲線。試驗研究結果表明，右邊桁架有較大的變形；位移較小時，加載點荷載與跨中位移基本成線性關系，后期彈塑性階段比較明顯，試件具有較好的整體延性。

圓鋼管混凝土桁架；荷載；跨中位移

圓鋼管具有截面各向等強、無弱軸、抗扭剛度大、密閉防銹性能好以及輕巧、簡潔、美觀的特點，同時外壁圓滑，在風和水力作用下具有較小的阻力系數，表面也難堆積灰塵和水， 端部封閉后，內部不易銹蝕，具有較好的防腐性能。它的應用非常廣泛，如房屋建筑、 橋梁、 海洋構造物等[1-2]。但隨著荷載和跨度的增大，此類結構的應用受到限制，如果在桁架弦管內填充混凝土可改善鋼管桁架的結構性能[3-4]。

在圓鋼管桁架體系中，在桁架受壓較大的主管中填充混凝土可以充分利用混凝土受壓性能，提高桁架的整體剛度和強度，降低桁架的高度，滿足建筑凈空的使用要求，并且可以防止鋼管內部銹蝕和增強耐久性[5-6]。下面，筆者主要通過試驗探討了橫截面為矩形的圓鋼管混凝土桁架的受力性能、破壞模式、靜力極限承載力。

1 試驗方案

1.1試件設計

桁架全長 3130mm，計算跨度3000mm，寬400mm，高 400mm，高跨比為1∶7.5, 高寬比為1∶1，節間距500mm。弦桿為?89mm×2.5mm，斜腹桿為?50mm×2.0mm，直腹桿及橫向支撐桿件均為?40mm×1.8mm，如圖1所示。試件中所有材料及連接板均采用Q235鋼材。

所有試件節點均采用鋼管直接焊接節點，手工焊接采用E43系列型焊條。節點處的相貫線焊縫分為3個區域：A區域采用對接焊縫，B、C區域采用角焊縫；2側面為過渡區，即由角焊縫過渡至部分熔透的剖口焊縫，如圖2所示。

1.2試驗加載裝置、加載制度

試驗時整個桁架試件平面平行于實驗室地槽方向放置，桁架支座與實驗室支座之間用滾軸連接。4個桁架在框架節點的上端部4個節點施加向下的靜力荷載。該試驗通過100t千斤頂施加向下荷載，以此在桁架中腹桿和弦桿內產生軸力，其中荷載力傳感器為50t。將千斤頂置于試件上的加載點的正上方進行加載，通過事先標定的傳感器測度千斤頂油壓荷載。

圖1 桁架試件簡圖

圖2 圓鋼管相貫節點焊接示意圖

表1 桁架試件的單調加載制度

試驗加載時首先進行試件的幾何對中，然后預加荷載進行物理對中，卸去預加荷載，儀表清零后進行單調分級加載。試件在單調靜力加載時，在試驗桁架的上弦桿上部施加向下豎向荷載。試驗前對桁架試件進行了單調荷載下的有限元預分析，根據預分析結果制定了加載分級為：預加載階段每10kN一級，共加3級；正式加載階段每10kN一級，共加9級，最后連續加載至破壞。實際控制時根據測點反饋，對分級加載上限進行調整。具體加載制度見表1。

整個試驗系統包括試驗加載及測試系統、數據采集系統和監控系統，其框圖和主要設備規格如下：

1) 主要設備及測試儀器型號 DH3816數據采集系統；BF-120-2A電阻應變計；YHD-50、YHD-30型、YHD-100型位移傳感器；YQ-320液壓千斤頂、YQ-500液壓千斤頂、YQ-100液壓千斤頂。試驗中位移傳感器用萬向磁性支架固定在不動體上。YHD-50、YHD-100型電子位移傳感器靈敏度為200με/mm，最大量程為50和100mm，精度達到1με。YHD-30型電子位移傳感器靈敏度為300με/mm，最大量程為30mm，精度達到1με。

2) 試驗系統流程圖 試驗系統流程圖如圖3所示。

2 試驗結果

圖3 試驗系統流程圖

當達到最大加載荷載時斜腹桿下端與直腹管間的焊縫熱應力區的母材沿下弦管管壁被拉開，直腹管下端的凹進變形明顯增大，節點下弦管壁均出現較大程度的塑性變形，同時節上弦管壁底面上直腹管與斜腹管間的焊縫熱應力區出現明顯的裂紋，如圖4所示。圖5中給出了試件的靜力荷載與桁架跨中位移的關系曲線，圖中的縱坐標為施加在桁架上的荷載總值(即為施加在桁架上弦桿加載板上的千斤頂荷載)，橫坐標為桁架跨中節點處的位移。豎向荷載、跨中位移均以向下為正，向上為負。由圖5可見，位移較小時，加載點荷載與跨中位移基本成線性關系，后期彈塑性階段比較明顯，試件具有較好的整體延性。

圖4 整體破壞照片

圖5 加載荷載-跨中位移

3 結 論

1)節點破壞現象包括斜腹桿下端與直腹管間的焊縫熱應力區的母材沿下弦管管壁被拉開，直腹管下端的凹進變形明顯增大，節點下弦管壁均出現較大程度的塑性變形，同時節上弦管壁底面上直腹管與斜腹管間的焊縫熱應力區出現明顯的裂紋。

2)從整體上看，桁架右邊有較大的變形。

3)位移較小時，加載點荷載與跨中位移基本成線性關系，后期彈塑性階段比較明顯，試件具有較好的整體延性。

[1]沃登尼爾 J.鋼管截面的結構應用[M].上海：同濟大學出版社，2004.

[2]陳寶春,黃文金.圓管截面桁梁極限承載力試驗研究[J].建筑結構學報,2006, 28 (3) : 31-36.

[3]黃文金,陳寶春.腹桿形式對鋼管混凝土桁梁受力性能影響的研究[J].建筑結構學報，2009,30(1)：55-61.

[4]劉永建，劉君平，楊根杰，等.主管內填充混凝土矩形鋼管桁架受力性能試驗研究[J]. 建筑結構學報，2009,30(3):107-112.

[5]劉永建, 劉君平, 張俊光.主管內填混凝土矩形和圓形鋼管桁架受彎性能對比試驗研究[J].建筑結構學報，2010,31(4):86-93.

[6]鄭文忠，柳旭東, 張博一. 灌漿圓鋼管桁架-混凝土組合梁試驗研究[J].建筑結構學報，2009,30(1):15-22.

[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.02.038

TU392.3

A

1673-1409(2012)02-N116-03

2011-10-28

海岸和近海工程國家重點實驗室基金資助項目(LP0705)。

王萌(1990-)，女，2009年大學入學，現主要從事土木工程方面的學習。

陳譽(1978-)，男，1998年大學畢業，博士(后)，副教授，現主要從事鋼結構和組合結構方面的教學與研究工作。