Venlo型溫室柱腳螺栓節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能_李雄彥.pdf

Venlo型溫室柱腳螺栓節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能 李雄彥 1 4 徐 航 1 2 徐開亮 3 4 閆冬梅 3 4 張秋生 3 4 曹 楠 3 4 1 北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部 北京 100124 2 軍事科學(xué)院國(guó)防工程研究院 北京 100850 3 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 北京 100125 4 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與智能建造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100125 摘 要 為研究連棟溫室柱腳節(jié)點(diǎn)尺寸對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力的影響 依托珠海某Venlo型溫室項(xiàng)目 基于 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī) 范 化工設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定 以及 混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造手冊(cè) 對(duì)中柱基礎(chǔ)短柱和邊柱柱腳節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造進(jìn)行設(shè)計(jì) 通過(guò)數(shù) 值模擬和節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究了中柱基礎(chǔ)短柱柱腳節(jié)點(diǎn)的抗彎性能 邊柱柱腳節(jié)點(diǎn)的抗剪性能以及破壞機(jī)理 結(jié)果表明 2種 節(jié)點(diǎn)的屈服荷載和極限荷載隨著節(jié)點(diǎn)構(gòu)造尺寸的減小而降低 其破壞過(guò)程可劃分為3個(gè)階段 彈性階段 屈服階段 極 限承載力階段 中柱基礎(chǔ)短柱柱腳節(jié)點(diǎn)破壞模式為受拉側(cè)混凝土錐形破壞 邊柱柱腳節(jié)點(diǎn)的破壞模式為混凝土楔形體破 壞 研究結(jié)果可為連棟溫室柱底地腳螺栓節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)提供參考 關(guān)鍵詞 溫室 荷載 力學(xué)性能 連棟溫室 柱腳節(jié)點(diǎn) 優(yōu)化分析 doi 10 11975 j issn 1002 6819 202304015 中圖分類號(hào) TU391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 1002 6819 2024 03 0240 11 李雄彥 徐航 徐開亮 等 Venlo型溫室柱腳螺栓節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2024 40 3 240 250 doi 10 11975 j issn 1002 6819 202304015 http www tcsae org LI Xiongyan XU Hang XU Kailiang et al Mechanical properties of column foot bolt joints in Venlo greenhouse J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2024 40 3 240 250 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 202304015 http www tcsae org 0 引 言 溫室是實(shí)現(xiàn)作物優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)的重要設(shè)施 在保障 多元化食物供給方面發(fā)揮了重要的作用 Venlo型溫室 是溫室的典型結(jié)構(gòu)形式 具有骨架材料用量少 結(jié)構(gòu)件 遮光率低 使用壽命長(zhǎng) 環(huán)境調(diào)控能力高等特點(diǎn) 近年 來(lái)得到廣泛應(yīng)用 Venlo型溫室起源于20世紀(jì)60年代的荷蘭 由荷 蘭國(guó)立工學(xué)研究所的Germing首創(chuàng) 1 屋面結(jié)構(gòu)采用小 截面鋁合金型材 覆蓋材料采用浮法玻璃或PC 聚碳酸 酯 polycarbonate 板等 中國(guó)于20世紀(jì)80年代開始 引進(jìn)Venlo型溫室 自20世紀(jì)90年代起 中國(guó)學(xué)者開始對(duì)Venlo型溫 室的荷載效應(yīng) 2 4 受力特征 5 8 優(yōu)化設(shè)計(jì) 9 11 等方面進(jìn) 行研究 但是以上研究主要針對(duì)溫室的上部鋼結(jié)構(gòu) 而 柱腳節(jié)點(diǎn)的研究較少 目前國(guó)內(nèi)Venlo型溫室柱底多采 用地腳螺栓與基礎(chǔ)或基礎(chǔ)短柱連接 由于溫室的高度較 低且上部結(jié)構(gòu)的重量較輕 與普通民用建筑相比 溫室 柱腳承受的荷載相對(duì)較小 因此 溫室柱腳節(jié)點(diǎn)尺寸較 小 目前針對(duì)鋼柱柱腳節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的研究多集中于工 業(yè)與民用建筑 例如節(jié)點(diǎn)破壞形式 12 15 靜力性能 16 19 抗震性能 20 23 等方面 對(duì)于該類溫室小承載力柱腳節(jié)點(diǎn) 的力學(xué)性能研究及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)缺乏 為研究連棟溫室柱腳節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能 規(guī)范柱腳節(jié) 點(diǎn)尺寸及連接方式 本研究依托珠海某Venlo型溫室項(xiàng) 目 基于有限元模擬分析和節(jié)點(diǎn)試驗(yàn) 研究Venlo型溫 室中柱基礎(chǔ)短柱和邊柱柱腳節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能 分析中柱 基礎(chǔ)短柱柱腳節(jié)點(diǎn)的抗彎性能和邊柱柱腳節(jié)點(diǎn)的抗剪性 能 驗(yàn)證有限元分析方法的合理性和準(zhǔn)確性 以期為節(jié) 點(diǎn)的設(shè)計(jì)提供參考 1 Venlo型溫室工程概況 1 1 溫室結(jié)構(gòu)參數(shù) 珠海某Venlo型溫室結(jié)構(gòu)剖面如圖1所示 其結(jié)構(gòu) 尺寸為 跨度9 6 m 尖頂3 2 m 開間4 5 m 檐高 6 5 m 脊高7 17 m 中柱截面尺寸為200 mm 100 mm 4 mm 邊柱截面尺寸為200 mm 200 mm 6 mm 圖2 為Venlo型溫室柱網(wǎng)示意圖 圖中所示外圍柱子為邊柱 中間柱子為中柱 溫室荷載取值依據(jù) 農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范 GB T 51183 2016 選取計(jì)算 其中永久荷載為 0 15 kN m2 屋面活荷載為0 10 kN m2 基本風(fēng)壓為 0 85 kN m2依據(jù)表1的各類荷載的組合系數(shù)行荷載組合 共形成5種荷載組合工況 收稿日期 2023 04 04 修訂日期 2024 01 16 基金項(xiàng)目 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與智能建造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題 連棟溫室柱底地腳螺栓連接的參數(shù)研究 202002 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì) 研究院自主研發(fā)項(xiàng)目 SH202111 作者簡(jiǎn)介 李雄彥 博士 教授 研究方向?yàn)榭臻g結(jié)構(gòu) Email xiongy2006 通信作者 曹楠 正高級(jí)工程師 研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)設(shè)施工程技術(shù)的研究 設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)化 Email caonan 第 40 卷 第 3 期農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào)Vol 40 No 3 240 2024 年 2 月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Feb 2024 3 200 5 800 500 200 666 7 166 3 200 9 600 3 200 圖1 Venlo型溫室的結(jié)構(gòu)示意圖 Fig 1 Structure diagram of Venlo greenhouse 9 600 9 600 9 600 4 500 4 500 4 500 13 500 28 800 邊柱 Side column 中柱 Central column 圖2 Venlo型溫室柱網(wǎng)示意圖 Fig 2 Diagram of Venlo greenhouse column network 表 1 荷載組合 Table 1 Load combination kN m 2 組合號(hào) Combination number 永久荷載 Dead load 活荷載 Live load 風(fēng)荷載 Wind load 1 1 0 1 2 2 1 0 1 2 3 1 0 1 0 4 1 0 1 2 1 0 5 1 0 1 2 1 0 注 為荷載效應(yīng)組合值系數(shù) 活荷載取0 7 風(fēng)荷載取0 6 Note is load combination coefficient which is 0 7 or 0 6 according to live load or wind load 1 2 柱腳構(gòu)造設(shè)計(jì) 本文針對(duì)邊柱和中柱的柱腳節(jié)點(diǎn)開展內(nèi)力研究和分 析 因建設(shè)地點(diǎn)地質(zhì)條件限制 溫室項(xiàng)目基礎(chǔ)為鋼筋混 凝土樁基礎(chǔ) 頂部設(shè)置一層框架結(jié)構(gòu)的架空層 鋼柱柱 腳連接在框架柱 梁 上 溫室的邊柱和中柱的柱腳位 置與基礎(chǔ)連接形式可分為兩種 其中邊柱直接與架空層 連接 邊柱柱腳節(jié)點(diǎn)采用兩錨栓連接 按鉸接計(jì)算 中 柱柱腳與中柱基礎(chǔ)短柱頂用一錨栓連接 按鉸接計(jì)算 基礎(chǔ)短柱底與架空層連接 采用四錨栓錨固 按固接計(jì) 算 柱腳節(jié)點(diǎn)各部件位置示意圖如3所示 圖4 圖5 為2種柱腳節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖 圖中錨栓邊距為錨栓中心至基 礎(chǔ)混凝土邊緣的距離 兩種柱腳節(jié)點(diǎn)各部件尺寸及位置 關(guān)系根據(jù)現(xiàn)有的3個(gè)規(guī)范 24 26 中的規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì) 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 中 受彎和受拉預(yù)埋件的錨栓 邊距最小距離為3倍的錨栓直徑和45 mm 受剪預(yù)埋件 最小距離為6倍的錨栓直徑和70 mm 化工設(shè)備基礎(chǔ) 設(shè)計(jì)規(guī)定 中 錨栓邊距最小距離為4倍的錨栓直徑及 100 mm 混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造手冊(cè) 中 柱腳節(jié)點(diǎn)的錨栓 邊距最小距離為4倍的錨栓直徑及150 mm 按照規(guī)范規(guī) 定進(jìn)行梁 柱配筋并保證各節(jié)點(diǎn)配筋率相同 錨栓 Anchor 抗剪鍵 Shear connector 基礎(chǔ) Foundation 二次灌漿層 Secondary pouring layer 中柱基礎(chǔ)短柱 Steel column 柱底板 Column base plate 錨栓邊距 Anchor bolt edge distance a 中柱基礎(chǔ)短柱柱腳節(jié)點(diǎn) a Central foundation short column joint 錨栓 Anchor 基礎(chǔ) Foundation 二次灌漿層 Secondary pouring layer 錨栓邊距 Anchor bolt edge distance 柱底板 Column base plate 邊柱Side column 抗剪鍵 Shear connector b 邊柱柱腳節(jié)點(diǎn) b Side column joint 圖3 節(jié)點(diǎn)各部件位置示意圖 Fig 3 Location diagram of each component of joint a 平面圖 a Plane graph 200 200 4005050 1 2 1 2 500 200 d1抗剪鍵Shear connector b 1 1剖面圖 b 1 1 profile graph 鋼柱 Steel column 抗剪鍵槽 Shear connector groove 二次澆灌層 Secondary pouring layer 155 90 155 100 50 c 2 2剖面圖 c 2 2 profile graph M16 Q235B 壓板 Pressure plate 墊板 Cushion plate 150150 100 50 360 d1 d 2 d 2 注 d1 d2為錨栓邊距 mm Note d1 d2 are anchor bolt edge distance mm 圖4 中柱基礎(chǔ)短柱柱腳節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖 Fig 4 Structure diagram of central foundation short column joint 第 3 期李雄彥等 Venlo型溫室柱腳螺栓節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能241 a 平面圖 a Plane graph 50 50 50 50 100 100 抗剪鍵 Shear connector 3 4 3 4 b 3 3剖面圖 b 3 3 profile graph 鋼柱 Steel column 100 M16 Q235B 壓板 Pressure plate 墊板 Cushion plate c 4 4剖面圖 c 4 4 profile graph 抗剪鍵槽 Shear connector groove 二次澆灌層 Secondary pouring layer 105 105 100 50 90 d1 d1 圖5 邊柱柱腳節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖 Fig 5 Structure diagram of side column joint 依據(jù)以上規(guī)范對(duì)柱腳螺栓安裝構(gòu)造的要求 本研究 分別對(duì)中柱基礎(chǔ)短柱柱腳和邊柱柱腳節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì) 得 到3種規(guī)范對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)編號(hào)和錨栓邊距 節(jié)點(diǎn)編號(hào)與錨 栓邊距詳見表2 其中中柱基礎(chǔ)短柱柱腳節(jié)點(diǎn)在建造時(shí) 受短柱下方的框架梁尺寸的限制 因此 ZZ2錨栓間距 不變 錨栓邊距在順內(nèi)力和橫內(nèi)力方向的尺寸不同 其 余節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)時(shí)只改變順內(nèi)力方向的錨栓邊距 溫室 邊柱下方一般為通長(zhǎng)的反坎 錨栓邊距為錨栓距離基礎(chǔ) 梁一側(cè)的距離 表 2 柱腳節(jié)點(diǎn)編號(hào)與設(shè)計(jì)依據(jù) Table 2 Column joint number and design basis 節(jié)點(diǎn)類型 Joint type 節(jié)點(diǎn)編號(hào) Joint number 設(shè)計(jì)依據(jù) Design basis 錨栓邊距 Anchor bolt edge distance mm d1 d2 中柱基礎(chǔ)短柱柱腳 節(jié)點(diǎn) Central foundation short column joint ZZ1混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范100 100 ZZ2化工設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定100 150 ZZ3混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造手冊(cè)150 150 邊柱柱腳節(jié)點(diǎn) Side column joint BZ1混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范125 BZ2化工設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定150 BZ3混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造手冊(cè)200 2 柱腳節(jié)點(diǎn)數(shù)值模擬分析 2 1 模型信息 2 1 1 材料參數(shù) 本文研究中主要涉及3種材料 其中基礎(chǔ)部分由 C30混凝土和微膨脹灌漿料組成 鋼柱和錨栓材料等級(jí) 為Q235 錨栓直徑16 mm 材料參數(shù)的選取見表3 相 關(guān)規(guī)范中對(duì)材料特性均有相關(guān)參數(shù)規(guī)定 但本文后續(xù)還 需開展節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究 因此根據(jù)實(shí)際的材料開展了材 性試驗(yàn) 得到混凝土及錨栓材料的相關(guān)參數(shù) 材性試驗(yàn) 結(jié)果詳見表4和表5 表 3 材料參數(shù) Table 3 Material parameters 材料Materials混凝土Concrete鋼材Steel鋼筋Rebar 材料等級(jí)Material grade C30 Q235 HRB400 材料模型Material model CDP彈塑性彈塑性 單元類型Element type C3D8R C3D8R T3D2 表 4 混凝土及灌漿料材性試驗(yàn)結(jié)果 Table 4 Test results of concrete and grouting material properties 材料 Materials 試塊尺寸 Test block size mm mm mm 抗壓強(qiáng)度平均值 Average compressive strength MPa 混凝土Concrete 150 150 150 31 4 灌漿料Grouting material 70 7 70 7 70 7 47 7 表 5 錨栓材性試驗(yàn)結(jié)果 Table 5 Test results of anchor bolt properties 錨栓類型 Anchor type 彈性模量Young s modulus GPa 屈服強(qiáng)度Yield strength MPa 抗拉強(qiáng)度Tensile strength MPa M16 199 287 429 2 1 2 模型建立 本文采用ABAQUS軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬分析 已按后續(xù)試驗(yàn)研究中的材性試驗(yàn)修正 為準(zhǔn)確模擬節(jié)點(diǎn) 的邊界條件 在兩類節(jié)點(diǎn)下方一并建立框架柱以及周圍 框架梁模型 柱底為梁的情況經(jīng)試算與柱底為柱的情況 區(qū)別很小 故不考慮其差異性 接觸設(shè)置中 鋼筋與混 凝土采用Embedded 鋼材與混凝土之間為摩擦接觸 摩 擦系數(shù)為0 4 27 并且考慮錨栓與混凝土之間粘結(jié)滑移作 用 同時(shí) 對(duì)兩種節(jié)點(diǎn)下方的梁 柱構(gòu)件在3個(gè)方向的 平動(dòng) 轉(zhuǎn)動(dòng)自由度施加遠(yuǎn)端約束 經(jīng)試算 中柱基礎(chǔ)短柱柱腳節(jié)點(diǎn)采用轉(zhuǎn)角加載 轉(zhuǎn) 角為0 04 rad 邊柱柱腳節(jié)點(diǎn)采用位移加載 數(shù)值為 8 mm 兩種節(jié)點(diǎn)荷載施加的位置均為鋼短柱底板中心位 置 如圖6所示 a 中柱基礎(chǔ)短柱柱腳節(jié)點(diǎn) a Central foundation short column joint b 邊柱柱腳節(jié)點(diǎn) b Side column joint 圖6 節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格劃分 Fig 6 Grid division of joint 242農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2024 年 2 2 結(jié)果與分析 2 2 1 中柱基礎(chǔ)短柱柱腳節(jié)點(diǎn)內(nèi)力分析 本文引入構(gòu)件屈服點(diǎn)的概念 構(gòu)件屈服點(diǎn)是描述構(gòu) 件中某一部分或全部實(shí)際進(jìn)入塑性的特征點(diǎn) 采用馮鵬 等 28 提出的最遠(yuǎn)點(diǎn)法進(jìn)行計(jì)算 該方法具有適用范圍廣 泛 易于進(jìn)行電算的優(yōu)點(diǎn) 分析結(jié)果如圖7所示 3種 構(gòu)造的中柱基礎(chǔ)短柱柱腳節(jié)點(diǎn)變形過(guò)程基本一致 可分 為3個(gè)階段 第1階段為彈性階段 轉(zhuǎn)動(dòng)剛度保持不變 受拉側(cè)錨栓應(yīng)力迅速增加 直至受拉側(cè)混凝土從錨栓孔 至混凝土邊緣開裂 第2階段為屈服階段 節(jié)點(diǎn)達(dá)到屈 服點(diǎn) 轉(zhuǎn)動(dòng)剛度迅速下降 受拉側(cè)錨栓屈服 受壓側(cè)混 凝土從錨栓孔至混凝土邊緣開裂 第3階段為極限承載 力階段 節(jié)點(diǎn)達(dá)到極限承載力 受拉側(cè)混凝土錐形破壞 節(jié)點(diǎn)形成塑性鉸 3種構(gòu)造的中柱基礎(chǔ)短柱柱腳節(jié)點(diǎn)在 彈性階段剛度相當(dāng) 屈服承載力與極限承載力隨著錨栓 邊距的增加而增大 ZZ1 ZZ3屈服承載力依次為19 51 21 48 23 17 kN m ZZ1 ZZ3極限承載力依次為22 76 25 46 27 48 kN m 3種構(gòu)造的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力較大的區(qū)域出 現(xiàn)在受拉側(cè)錨栓 抗剪鍵 鋼筋的上半部 箍筋并未屈 服 3種構(gòu)造的中柱基礎(chǔ)短柱柱腳節(jié)點(diǎn)均能夠滿足實(shí)際 工程的要求 0 01 0 02 0 03 0 040 5 10 15 20 25 30 ZZ1 ZZ2 ZZ3 屈服點(diǎn)Yield point 極限承載點(diǎn) Ultimate bearing point彎矩 Bending moment kN m 轉(zhuǎn)角Corner rad 圖7 中柱基礎(chǔ)短柱柱腳節(jié)點(diǎn)的彎矩 轉(zhuǎn)角曲線 Fig 7 Bending moment corner curves of central foundation short column joint 為了更直觀地說(shuō)明柱腳的破壞特點(diǎn) 分別列出3種 節(jié)點(diǎn)發(fā)生破壞時(shí)的混凝土損傷情況及錨栓應(yīng)力云圖 如 圖8所示 DAMAGET 9 882e 01 9 059e 01 8 235e 01 7 412e 01 6 588e 01 5 765e 01 4 941e 01 4 118e 01 3 294e 01 2 471e 01 1 647e 01 8 235e 02 0 000e 00 DAMAGET 9 882e 01 9 059e 01 8 235e 01 7 412e 01 6 588e 01 5 765e 01 4 941e 01 4 118e 01 3 294e 01 2 471e 01 1 647e 01 8 235e 02 0 000e 00 DAMAGET 9 882e 01 9 059e 01 8 235e 01 7 412e 01 6 588e 01 5 765e 01 4 941e 01 4 118e 01 3 294e 01 2 471e 01 1 647e 01 8 235e 02 0 000e 00 b 混凝土內(nèi)部拉伸損傷 b Concrete internal tensile damage 應(yīng)力 Stress MPa 3 023e 02 2 772e 02 2 521e 02 2 270e 02 2 018e 02 1 767e 02 1 516e 02 1 264e 02 1 013e 02 7 617e 01 5 105e 01 2 592e 01 7 867e 01 應(yīng)力 Stress MPa 2 979e 02 2 732e 02 2 484e 02 2 236e 02 1 989e 02 1 741e 02 1 494e 02 1 246e 02 9 985e 01 7 509e 01 5 033e 01 2 557e 01 8 116e 01 應(yīng)力 Stress MPa 3 515e 02 3 223e 02 2 930e 02 2 638e 02 2 346e 02 2 054e 02 1 762e 02 1 470e 02 1 178e 02 8 860e 01 5 940e 01 3 019e 01 9 850e 01 c 錨栓應(yīng)力 c Anchor bolt stress DAMAGET 9 882e 01 9 059e 01 8 235e 01 7 412e 01 6 588e 01 5 765e 01 4 941e 01 4 118e 01 3 294e 01 2 471e 01 1 647e 01 8 235e 02 0 000e 00 DAMAGET 9 882e 01 9 059e 01 8 235e 01 7 412e 01 6 588e 01 5 765e 01 4 941e 01 4 118e 01 3 294e 01 2 471e 01 1 647e 01 8 235e 02 0 000e 00 DAMAGET 9 882e 01 9 059e 01 8 235e 01 7 412e 01 6 588e 01 5 765e 01 4 941e 01 4 118e 01 3 294e 01 2 471e 01 1 647e 01 8 235e 02 0 000e 00 a 混凝土拉伸損傷 a Concrete tensile damage ZZ1 ZZ2 ZZ3 注 DAMAGET為受拉損傷因子 Note DAMAGET is a tensile damage factor 圖8 中柱基礎(chǔ)短柱柱腳節(jié)點(diǎn)破壞模式 Fig 8 Central foundation short column joint failure mode 第 3 期李雄彥等 Venlo型溫室柱腳螺栓節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能243 2 2 2 邊柱柱腳節(jié)點(diǎn)內(nèi)力分析 從圖9中能夠看出 3種邊柱柱腳節(jié)點(diǎn)的變形過(guò)程 基本一致 也可分為3個(gè)階段 第1階段為彈性階段 錨栓應(yīng)力較小 抗剪鍵槽位置刷新出現(xiàn)損傷后 錨栓前 沿混凝土因?yàn)槭芫植繅簯?yīng)力過(guò)大而產(chǎn)生由錨栓孔至錨栓 前沿混凝土邊緣的裂縫 第2階段為屈服階段 節(jié)點(diǎn)達(dá) 到屈服點(diǎn) 錨栓前沿混凝土壓碎剝離 錨栓因失去混凝 土約束而迅速屈服 節(jié)點(diǎn)剛度迅速下降 第3階段為極 限承載力階段 節(jié)點(diǎn)達(dá)到極限承載力 錨栓前沿混凝土 自由表面范圍繼續(xù)擴(kuò)大 裂縫之間相互貫通 形成完整 的楔形混凝土破壞模式 3種構(gòu)造的邊柱柱腳節(jié)點(diǎn)的屈 服承載力與極限承載力隨著錨栓邊距的增加而增大 BZ1 BZ3屈服承載力依次為50 80 65 76 98 84 kN BZ1 BZ3 極限承載力依次為67 27 88 26 130 47 kN 3種構(gòu)造 的邊柱柱腳節(jié)點(diǎn)均能夠滿足實(shí)際工程的要求 圖10為3 種節(jié)點(diǎn)破壞時(shí)混凝土損傷情況及錨栓應(yīng)力云圖 通過(guò)對(duì)3種構(gòu)造的中柱基礎(chǔ)短柱柱腳節(jié)點(diǎn)和邊柱柱 腳節(jié)點(diǎn)的數(shù)值模擬分析能夠看出不同構(gòu)造下同類節(jié)點(diǎn)的 變形過(guò)程與破壞模式基本一致 且承載力均能滿足實(shí)際 工程要求 接下來(lái)通過(guò)試驗(yàn)研究進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值模擬的 準(zhǔn)確性 80 140 剪切荷載 Sh ear lo ad kN 剪切位移Shearing displacement mm 20 40 60 80 100 120 1 2 3 4 5 6 7 屈服點(diǎn)Yield point 極限承載點(diǎn) Ultimate bearing point BZ3 BZ2 BZ1 圖9 3種邊柱柱腳節(jié)點(diǎn)荷載 位移曲線 Fig 9 Load displacement curves of side column joint 應(yīng)力 Stress MPa 2 681e 02 2 458e 02 2 236e 02 2 013e 02 1 790e 02 1 567e 02 1 344e 02 1 121e 02 8 978e 01 6 749e 01 4 519e 01 2 290e 01 6 018e 01 應(yīng)力 Stress MPa 2 576e 02 2 362e 02 2 148e 02 1 934e 02 1 720e 02 1 506e 02 1 291e 02 1 077e 02 8 631e 01 6 490e 01 4 348e 01 2 207e 01 6 570e 01 c 錨栓應(yīng)力 c Anchor bolt stress 應(yīng)力 Stress MPa 3 224e 02 2 956e 02 2 689e 02 2 421e 02 2 154e 02 1 886e 02 1 619e 02 1 351e 02 1 084e 02 8 165e 01 5 490e 01 2 815e 01 1 408e 00 DAMAGET 9 852e 01 9 031e 01 8 210e 01 7 389e 01 6 568e 01 5 747e 01 4 926e 01 4 105e 01 3 284e 01 2 463e 01 1 642e 01 8 210e 02 0 000e 00 DAMAGET 9 852e 01 9 031e 01 8 210e 01 7 389e 01 6 568e 01 5 747e 01 4 926e 01 4 105e 01 3 284e 01 2 463e 01 1 642e 01 8 210e 02 0 000e 00 b 混凝土內(nèi)部拉伸損傷 b Concrete internal tensile damage DAMAGET 9 852e 01 9 031e 01 8 210e 01 7 389e 01 6 568e 01 5 747e 01 4 926e 01 4 105e 01 3 284e 01 2 463e 01 1 642e 01 8 210e 02 0 000e 00 DAMAGET 9 852e 01 9 031e 01 8 210e 01 7 389e 01 6 568e 01 5 747e 01 4 926e 01 4 105e 01 3 284e 01 2 463e 01 1 642e 01 8 210e 02 0 000e 00 BZ1 DAMAGET 9 852e 01 9 031e 01 8 210e 01 7 389e 01 6 568e 01 5 747e 01 4 926e 01 4 105e 01 3 284e 01 2 463e 01 1 642e 01 8 210e 02 0 000e 00 BZ2 a 混凝土拉伸損傷 a Concrete tensile damage DAMAGET 9 852e 01 9 031e 01 8 210e 01 7 389e 01 6 568e 01 5 747e 01 4 926e 01 4 105e 01 3 284e 01 2 463e 01 1 642e 01 8 210e 02 0 000e 00 BZ3 圖10 邊柱柱腳節(jié)點(diǎn)破壞模式 Fig 10 Side column joint failure mode 3 柱腳節(jié)點(diǎn)試驗(yàn) 3 1 試件設(shè)計(jì)與制作 試件按照數(shù)值模擬分析的模型每種節(jié)點(diǎn)各加工1個(gè) 共6個(gè) 由于加載條件的限制 對(duì)試件進(jìn)行了部分簡(jiǎn)化 圖11為試件構(gòu)造圖 3 2 加載方式及測(cè)量方案 中柱基礎(chǔ)短柱柱腳節(jié)點(diǎn)加載裝置如圖12所示 首先 將試件固定于地面上 在鋼柱腳上部通過(guò)高強(qiáng)螺栓連接 一根加載梁 244農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2024 年 利用布置在加載梁的兩端的千斤頂施加節(jié)點(diǎn)位置的 彎矩 千斤頂通過(guò)鉸接支座與加載梁連接 邊柱柱腳節(jié) 點(diǎn)加載裝置如圖13所示 將試件固定于反力架上 利用 千斤頂對(duì)加載板向上的推力以施加對(duì)節(jié)點(diǎn)位置的剪力 a 中柱基礎(chǔ)短柱柱腳節(jié)點(diǎn) a Central foundation short column joint b 邊柱柱腳節(jié)點(diǎn) b Side column joint 1 900 400 1 500 500500 20 20 280 5001 120 300 500 圖11 試件構(gòu)造圖 Fig 11 Specimen structure diagram 作動(dòng)器 Actuator 作動(dòng)器 Actuator 試件 Test piece 反力架 Reaction frame b 現(xiàn)場(chǎng)圖 b Field diagram a 裝置示意圖 a Installation diagram 圖12 中柱基礎(chǔ)短柱試驗(yàn)加載裝置 Fig 12 Loading device of central foundation short column joint test 試件安裝完成后 預(yù)加載采用有限元結(jié)果中的破壞 荷載的1 10 再卸載至0 以消除部分誤差并檢查各部 分是否正常工作 2個(gè)試驗(yàn)的正式加載均采取力 位移混 合加載方式 根據(jù)估算的承載力進(jìn)行分級(jí)加載 每級(jí)為 破壞荷載的1 10 加載初期由力控制 加載后期 構(gòu)件 變形明顯加大 此時(shí)加載由位移控制 每級(jí)2 mm 直至 構(gòu)件破壞 b 現(xiàn)場(chǎng)圖 b Field diagram 作動(dòng)器 Actuator 試件 Test piece a 裝置示意圖 a Installation diagram 圖13 邊柱加載裝置 Fig 13 Loading device of side column test 加載點(diǎn)處的控制荷載通過(guò)與千斤頂相連的力傳感器 進(jìn)行測(cè)量 柱底板 錨栓和抗剪鍵的應(yīng)變通過(guò)應(yīng)變片測(cè) 量 中柱基礎(chǔ)短柱柱腳節(jié)點(diǎn)的豎向位移通過(guò)放置在鋼柱 連接板兩端的位移計(jì)進(jìn)行測(cè)量 轉(zhuǎn)角通過(guò)位移計(jì)距節(jié)點(diǎn) 中心距離進(jìn)行測(cè)量 邊柱柱腳節(jié)點(diǎn)的底板兩側(cè)各放置一 個(gè)位移計(jì) 以此測(cè)量柱底板的剪切位移 計(jì)算時(shí)取平均 值作為實(shí)際剪切位移 3 3 試驗(yàn)結(jié)果與有限元結(jié)果對(duì)比分析 3 3 1 中柱基礎(chǔ)短柱柱腳節(jié)點(diǎn)抗彎性能 ZZ2與ZZ3的彎矩 轉(zhuǎn)角有限元結(jié)果曲線與試驗(yàn)結(jié)果 曲線基本匹配良好 試驗(yàn)曲線中能夠清晰分辨出節(jié)點(diǎn)破 壞的不同階段 且這2種節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)與有限元分析的屈服 荷載 極限荷載 彈性階段剛度相差在15 以內(nèi) 如 圖14所示 表明該模擬方法能夠較好地模擬中柱基礎(chǔ)短 柱柱腳節(jié)點(diǎn)在彎矩作用下的變形過(guò)程 0 01 0 02 0 03 0 040 5 10 15 20 25 30 轉(zhuǎn)角Corner rad 試驗(yàn)Test 有限元FEM ZZ1 ZZ3 ZZ2 節(jié)點(diǎn)編號(hào) Joint number 彎矩 Bending moment kN m 圖14 中柱基礎(chǔ)短柱柱腳節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)與有限元結(jié)果曲線對(duì)比 Fig 14 Curve comparison between central foundation short column joint test and finite element results ZZ1在彈性階段曲線吻合情況良好 但由于在破壞 過(guò)程中 該試件在二次澆筑界面位置出現(xiàn)了縫隙 所以 過(guò)早的進(jìn)入了屈服階段 導(dǎo)致極限荷載與有限元分析結(jié) 果相比較小 3個(gè)中柱基礎(chǔ)短柱柱腳節(jié)點(diǎn)的破壞模式均 為受拉側(cè)錨栓先屈服 隨后受拉側(cè)混凝土開裂 最后受 壓側(cè)混凝土被壓碎 有限元模擬結(jié)果能直觀地模擬出底 板翹曲 混凝土椎體破壞等破壞模式 如圖15所示 因 此 該有限元分析方法可以較為合理地預(yù)測(cè)中柱基礎(chǔ)短 柱柱腳節(jié)點(diǎn)的破壞模式 b 受拉損傷云圖 b Tensile damage diagram a 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖 a Test site diagram DAMAGET 9 882e 01 9 059e 01 8 235e 01 7 412e 01 6 588e 01 5 765e 01 4 941e 01 4 118e 01 3 294e 01 2 471e 01 1 647e 01 8 235e 02 0 000e 00 圖15 中柱基礎(chǔ)短柱柱腳節(jié)點(diǎn)混凝土裂縫 Fig 15 Concrete cracks at central foundation short column joint 第 3 期李雄彥等 Venlo型溫室柱腳螺栓節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能245 3 3 2 邊柱柱腳節(jié)點(diǎn)抗剪性能 如圖16所示 BZ1 BZ2的試驗(yàn)曲線和有限元結(jié)果 吻合較好 試驗(yàn)曲線的屈服階段較有限元結(jié)果更明顯 BZ3試驗(yàn)曲線的初始彈性階段與有限元曲線比較吻合 且這2種節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)與有限元分析的屈服荷載 極限荷載 彈性階段剛度相差在10 以內(nèi) 這是由于在加載初期 該試件的二次灌漿層與混凝土基礎(chǔ)存在一定的相對(duì)位移 導(dǎo)致錨栓提前失去混凝土的約束 使得該構(gòu)件承載力 較低 80 140 剪切位移Shear displacement mm 試驗(yàn)Test 有限元FEM BZ1 BZ3 BZ2 節(jié)點(diǎn)編號(hào) Joint number 剪切荷載 Shear load kN 1 2 3 4 5 6 7 20 40 60 80 100 120 圖16 邊柱柱腳節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)與有限元結(jié)果曲線對(duì)比 Fig 16 Curve comparison between side column joint test and finite element results 3個(gè)邊柱柱腳節(jié)點(diǎn)的破壞模式均為錨栓周圍的混凝 土出現(xiàn)沖切破壞 錨栓在沖切破壞后受到剪力和拉力的 作用屈服 最后出現(xiàn)楔形混凝土被推出的現(xiàn)象 試驗(yàn)破 壞情況與有限元模擬結(jié)果基本相符 如圖17所示 b 受拉損傷云圖 b Tensile damage diagram a 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖 a Test site diagram DAMAGET 9 852e 01 9 031e 01 8 210e 01 7 389e 01 6 568e 01 5 747e 01 4 926e 01 4 105e 01 3 284e 01 2 463e 01 1 642e 01 8 210e 02 0 000e 00 圖17 邊柱柱腳節(jié)點(diǎn)混凝土裂縫 Fig 17 Concrete cracks at side column joint 4 參數(shù)化分析 4 1 錨栓直徑 錨栓直徑的改變對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力影響較大 但并沒(méi)有 改變節(jié)點(diǎn)破壞模式 錨栓直徑對(duì)節(jié)點(diǎn)在彈性階段的剛度 影響較小 如圖18所示 由表6可知 錨栓直徑減少 4 mm會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件的抗彎承載力下降約20 30 這是 因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的抗彎承載力在很大程度上取決于受拉側(cè)錨栓 的抗拉承載力 而錨栓直徑是影響錨栓抗拉承載力的關(guān) 鍵因素之一 0 01 0 02 0 03 0 040 40 轉(zhuǎn)角 Corner rad ZZ1 ZZ3 ZZ2 節(jié)點(diǎn)編號(hào) Joint number 彎矩 Bending moment kN m 10 20 30 12 16 20 直徑 Diameter mm 圖18 不同錨栓直徑下中柱基礎(chǔ)短柱柱腳節(jié)點(diǎn)的 彎矩 轉(zhuǎn)角曲線 Fig 18 Bending moment corner curves of central foundation short column joint under different anchor diameters 表 6 不同錨栓直徑下中柱基礎(chǔ)短柱抗彎承載力統(tǒng)計(jì)表 Table 6 Statistical table of flexural capacity of central foundation short column joint under different anchor diameters 錨栓直徑 Bolt diameter mm 抗彎承載力Flexural capacity kN m ZZ1 ZZ2 ZZ3 12 16 33 18 44 20 13 16 22 86 25 80 28 34 20 29 17 33 90 38 05 錨栓主要在節(jié)點(diǎn)屈服后對(duì)邊柱柱腳節(jié)點(diǎn)的抗剪承載 力發(fā)揮作用 如圖19所示 在早期階段 節(jié)點(diǎn)主要以混 凝土局部受壓為主 錨栓應(yīng)力水平較小 然而 當(dāng)混凝 土發(fā)生開裂后 錨栓逐漸發(fā)揮其抗剪作用 而錨栓的直 徑直接影響其抗剪承載力 從而對(duì)節(jié)點(diǎn)的極限承載力產(chǎn) 生重要影響 從表7中可以計(jì)算出錨栓直徑對(duì)極限承載 力的影響范圍在9 25 之間 此外 隨著錨栓邊距 的減小 錨栓直徑對(duì)節(jié)點(diǎn)極限承載力的影響增大 隨著 錨栓直徑的減小 極限承載力的下降速率也會(huì)加快 80 140 剪切位移 Shear displacement mm BZ1 BZ3 BZ2 節(jié)點(diǎn)編號(hào) Joint number 剪切荷載 Shear load kN 1 2 3 4 5 6 7 20 40 60 80 100 120 12 16 20 直徑 Diameter mm 圖19 不同錨栓直徑下邊柱柱腳節(jié)點(diǎn)的荷載 位移曲線 Fig 19 Load displacement curves of side column joint under different anchor diameters 246農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2024 年 表