采用PBL连接件的组合桁架节点受力性能
周凌宇，王海波，贺桂超
(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075)
摘要：外接式钢-混凝土组合端节点是组合桁架结构受力的关键部位。通过对3个采用PBL连接件的外接式钢-混凝土组合桁架节点的单调静力试验，研究节点的极限承载力、失效模式和破坏机理。应用有限元软件ANSYS对试件进行全过程数值模拟分析。试验结果显示：节点的失效模式有混凝土开裂破坏、外露节点板局部屈曲、受拉腹杆处螺栓滑移及钢-混凝土连接部位应力集中。计算结果与试验结果吻合良好，PBL连接件具有较好的抗剪能力。通过增加节点板厚可有效提高节点承载能力。计算及试验结果可为该节点在工程实践中的应用提供理论依据和试验参考。
关键词：钢-混凝土组合节点；PBL连接件；极限承载力；失效模式；试验研究；有限元分析
中图分类号：TU398.9；TU317.1 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2012)07-2762-06
Experiment for mechanical properties on
steel-concrete composite truss joints with PBL connectors
ZHOU Ling-yu, WANG Hai-bo, HE Gui-chao
(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)
Abstract: The composite truss joint is the key of the truss. A static experiment is done on 3 steel-concrete composite truss joints models with PBL connectors to study the ultimate bearing capacity, modes of failure and failure mechanism of the composite truss joint. A FEA model of composite joint is set up. The experiment results show that failure mechanisms include the cracking of concrete, local buckling on the steel plate, bolt slip of tension brace, stress concentration on connecting region of the steel and concrete. The FEA results agree well with the experiment, and the PBL connector has a good ability of shearing resistance. The FEA model also shows the joint’s capacity can be effectively improved by increasing the thickness of plate. Finite element analysis and experiment results provide a theoretical reference and basis for the joint application in engineering practice.
Key words: steel-concrete composite truss joint; PBL connector; ultimate bearing capacity; mode of failure; experimental research; finite element analysis
钢-混组合桁架是近年来发展起来的一种新型结构，对以受压为主的上、下弦杆采用钢筋混凝土或预应力混凝土作为材料，承受拉、压交替荷载的腹杆仍采用钢结构，故用钢量降低，质量减少，强度和刚度增大，承载力提高，且养护维修简单，并可方便适应各种轨道结构。基于上述优点，国外对该桥型进行了大量研究：德国1993年采用上承式组合桁架体系建成了三跨连续的Nantenbach铁路桥[1]，瑞士1997年建成一座23跨连续的上承式组合桁架体系的Lully高架 桥[1]，日本对圆钢管-混凝土弦杆的组合桁架节点进行一系列的试验研究[2-3]，并应用于山仓川桥[4]，取得了明显的社会效益和经济效益。我国在这方面的研究尚处于起步阶段，因此开展组合桁架的研究具有重大的理论意义和实用价值。组合桁架中钢材和混凝土的连接，除依靠两者之间的黏结力外，还靠添加一些外部设施来抵抗钢与混凝土之间的滑移，应用最广泛的是在钢材上焊接栓钉，其破坏模式主要是根部焊接处的剪切破坏，车载作用下的疲劳问题比较突出。而PBL连接件则是近期出现的一种新型的剪力连接件[5]。其承载力高、施工简单、质量可靠、抗疲劳性能优良、组合梁的整体性好。我国对于PBL连接件的研究和使用也处于起步阶段，南京长江三桥和广州新光桥采用过PBL连接件，但在组合桁架梁中应用PBL连接件的工程实例还未见到[6]。西安-平凉货运铁路专线的后河村特大桥、马屋泾河特大桥、太峪大桥，跨越在建的银武高速公路，属于重载、大跨、低结构高度桥梁。经多方案比选，最终采用1孔80 m组合桁架梁桥。组合桁架在荷载作用下，支座端上弦节点承受来自跨中方向混凝土上弦杆传递来的极大水平推力，为保证该水平推力的传递，铁一院研发了如图1所示的节点构造。该水平推力依次通过PBL连接件、钢节点板、高强螺栓，传递到受拉和受压钢腹杆。考虑到该节点构造方案复杂、加工难度大、国内外均无先例、其设计方法尚无具体规范条文可直接应用等因素,有必要进行模型试验,以评估该类节点的受力性能、破坏模式以及极限承载力等情况，为组合桁架节点的设计提供试验依据[7-14]。
1 试验设计
1.1 试件制作
本文研究的节点类型为外接式节点，试件尺寸和加载装置如图1所示。弦杆和腹杆没有直接接触，通过节点板相连，节点板部分外露，部分内埋，外露部分通过拼接板-高强螺栓与腹杆相连，内埋部分在节点板上开有直径40 mm的圆孔，并穿入直径12 mm的螺纹钢筋形成PBL剪力连接件，将钢和混凝土很好地结合在一起。试件制作时，采用缩尺比例为1:2的模型。
本模型共制作3个试件，试件中腹杆和节点板所用钢材为Q345，弦杆混凝土强度等级为C50。
1.2 加载方案
本试验的主要目的是测试节点的极限承载力和破坏模式。节点设计荷载2 000 kN，根据缩尺比例，而试验预计最终加载至5 000 kN。如此大的荷载必须保证有足够大的反力系统来承担，因此专门设计了加载底座，并通过锚杆将其和地锚及反力墙系统连接起来。试件通过销栓连接在底座上，模拟铰接的受力状况。
图1 试验装置与节点(单位：mm)
Fig.1 Test set-up and specimen joint
加载时为保证混凝土弦杆轴向受力，防止试件在加载过程中出现侧移，在试验装置中安装了竖向支撑和侧向滑轮装置，使混凝土弦杆只能沿着加载方向移动。加载装置如图1所示。
采用单调分级直接加载制。加载时采用荷载控制，在0~2 000 kN加载区间，加载等级为400 kN；在2 000~ 4 000 kN加载区间，加载等级为200 kN；在4 000~5 000 kN加载区间，按照加载等级为100 kN加载。
1.3 测试内容
本试验通过采用应变片和百分表来采集节点的应变和位移数据。在混凝土弦杆的前、后端，加载底座的前、后端，及腹杆底部安装百分表来测量试验过程中的位移变化；在腹杆、节点板上布置直角应变花，在混凝土上布置单向应变片来测试试验过程中应力和应变分布情况，应变片布置如图2所示。每施加一级荷载，持荷2 min后，采用静态应变数据采集仪采集应变数据，并人工读取各百分表的读数。
2 试验结果
2.1 典型试验曲线
弦杆加载点荷载-位移曲线如图3所示。横轴为沿加载方向的水平位移，纵轴为试件端部千斤顶加载值。
3个试件的荷载-位移曲线在2 000 kN设计荷载水平前，处于线弹性工作阶段；约在4 000 kN时节点开始进入塑性。荷载-位移曲线中变形较大，说明节点具有很好的延性，3个试件的荷载水平均高于设计荷载许多，节点安全储备较高，满足设计要求。
2.2 PBL连接件工作状态
观察试验现象，荷载加至5 000 kN过程中，模型的钢-混凝土结合段中，刚度变化比较均匀。钢-混结合段应力分布无突变，表明结合面受力状态较好，传力均匀，钢与混凝土的滑移(竖向、纵向)都很小，模型的破坏不是由结合段控制，节点具有良好的抗剪刚度和强度，采用PBL剪力件在组合桁架节点中连接钢与混凝土是可行的。
2.3 试件节点破坏情况及失效模式
试件破坏过程为：4 000 kN以前，节点正常工作，各部件变形和应变随荷载线性增长；加载至4 000 kN时，节点板部分开始出现变形，在轴力作用下，受拉腹杆和节点板连接部分开始出现滑移；加载至4 200 kN时，混凝土底面与节点板前端连接处出现开裂，与此同时弦杆混凝土出现竖向裂缝；加载至4 500~5 000 kN时，节点板局部出现明显鼓曲现象，加载停止。整个加载过程中，仅外露节点板区域进入塑性状态，其他区域均处于弹性范围。
从试件破坏过程可以得出节点的4种失效模式：一是受拉腹杆处拼接板发生滑移，从试件上看出，拼接板两侧滑移并不相等，分别为5 mm和12 mm，试件2和试件3发生此种失效模式；二是受压腹杆端头节点板发生局部屈曲，2块节点板在相同部位向一侧鼓曲，试件3发生此种失效模式；三是混凝土底面与节点板前端(靠近加载端)相连处，由于应力集中，在局部区域内出现多条短小、密集、排列不规则的裂缝，远离节点板前端，裂缝则发展为沿着节点板方向的一条主裂缝，试件2和试件3发生此种失效模式；四是混凝土弦杆出现竖向裂缝，试件2和试件3发生此种失效模式。
图2 应变片布置图(单位：mm)
Fig.2 Strain gauge location for joint
图3 节点荷载-位移曲线
Fig.3 Load-displacement curve of joint
从3个试件的破坏过程及现象中发现，节点板部分尤其是外露节点板是整个节点的“瓶颈”，在试验中会由于应力过大首先产生局部屈曲，从而限制了节点的强度和极限承载力；而对强度和刚度相对大的腹杆来说，在试验过程中均未出现屈服和破坏现象，腹杆的承载力满足要求。
节点板区域应力状态复杂，不能简单依靠水平、竖向应变或主应变来体现其受力状态，于是采用等效应变εeff来反映塑性发展情况，多向应力状态下的应变强度理论不仅适合线弹性阶段，也适合非线性弹塑性阶段[15]。图4所示为试验中节点板局部屈曲部位按照式(1)[15]求得该点的等效塑性应变。
(1)
其中：ε1，ε2和ε3为主应变。
由图4可见：3 900 kN时曲线出现拐点，荷载增加缓慢，而应变快速增长，节点板达到屈服进入塑性发展，说明节点板强度和刚度成为整个节点强度和刚度的控制点。
图4 节点板局部屈曲处应变发展
Fig.4 Strain development in local buckling zone
3 节点试件有限元分析
采用有限元软件ANSYS对试件节点进行分析。有限元模型中几何尺寸与试验尺寸一致，选用弹塑性壳单元SHELL81模拟支座和钢腹杆，实体单元SOLID65模拟混凝土弦杆、SOLID45模拟节点板和剪力钢筋，三维杆单元LINK8模拟混凝土中的钢筋。混凝土采用Willam-Warnke 5参数破坏准则，未考虑混凝土与节点板之间的黏结滑移效应。材料属性按照材性试验结果确定，没有考虑焊缝和残余应力的影响，试验节点有限元分析模型详见图5。
假定各材料为理想材料，服从Mises屈服准则，采用Newton-Raphson迭代法与弧长法相结合求解，同时考虑材料非线性和几何非线性。
图6给出了有限元计算和试验对比的荷载-位移曲线。有限元计算中考虑2种情况，曲线4为不考虑钢与混凝土的滑移效应，同时认为PBL连接件起抗剪作用，从图6看出：弹性阶段吻合较好，只是有限元计算屈服强度高于试验值，这主要是有限元建模时腹杆和节点板采用位移耦合的连接方式，限制了相对位移；另外埋入混凝土中的节点板未考虑与混凝土的黏结滑移效应，有限元模型刚度大于实际试件所致。曲线5认为荷载完全由PBL连接件传递，忽略钢与混凝土的黏结，曲线在弹性阶段和塑性阶段初期吻合良好；由于加载后期荷载过大，PBL连接件变形增加导致试件刚度和强度减小，节点承载力几乎不再增长。而实际情况是钢与混凝土有一定黏结作用，对节点承载力的贡献不可忽略，得到的荷载-位移曲线位于曲线4和曲线5之间，说明有限元计算合理可行。
图5 节点有限元模型
Fig.5 Finite model for joint
图6 荷载-位移比较曲线
Fig.6 Comparison of load-displacement curve of joint
从上述分析中看出，节点板是整个节点受力性能的关键因素，在加载过程中会首先达到塑性变形而影响整个节点的受力状况，因此可将节点板加厚，在不改变其他参数的情况下，研究节点板厚度对整个节点性能的影响，得到的荷载-位移曲线如图7所示。随着节点板厚度的增加，节点在弹性阶段的刚度略有增大，但变化不大；整个节点的屈服强度则明显提高，由2.0倍设计荷载提高至3.5倍设计荷载。但节点板厚度达到18 mm以后，曲线基本不再发生变化，可认为此时节点的屈服强度及承载力不再由节点板厚度 控制。
根据有限元计算中节点失效时的情况，得到了试件的屈服荷载，并与试验结果进行对比，具体数据详见表1。由于加载装置的限制，试验最终只能加载至 5 000 kN，未能得到荷载-位移曲线的极值点，有限元计算得到的极限承载力为5 700 kN。
图7 不同节点板厚度的荷载-位移曲线
Fig.7 Load-displacement curves of plate with different thicknesses
表1 节点屈服荷载比较
Table 1 Comparison of yield load of joint
4 结论
(1) 通过3个试件的试验，外接式钢-混凝土组合桁架节点极限承载力和刚度满足设计要求，节点安全储备较高。
(2) 节点的失效模式主要有：连接受拉腹杆与节点板的螺栓滑移，节点板在受压区域的局部屈曲，混凝土弦杆的开裂破坏以及钢材和混凝土接触部位的应力集中。
(3) 外接节点板的厚度对整个节点受力性能起决定性因素，增加节点板厚度，可有效提高节点屈服强度和极限承载力。
(4) 试验过程中未观察到钢材与混凝土之间的滑移，PBL连接件具有良好的抗剪刚度和强度，采用PBL剪力键作为传剪键是有效可行的。
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(编辑 陈爱华)
收稿日期：2011-10-25；修回日期：2011-12-22
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50708112)；铁道部科技研究开发计划项目(2008G007-C)
通信作者：周凌宇(1973-)，男，湖南长沙人，博士，副教授，从事组合结构的研究与设计；电话：13808411458；E-mail: zhoulingyu@csu.edu.cn
