Venlo型温室柱脚螺栓节点力学性能_李雄彦.pdf

Venlo型温室柱脚螺栓节点力学性能 李雄彦 1 4 徐 航 1 2 徐开亮 3 4 闫冬梅 3 4 张秋生 3 4 曹 楠 3 4 1 北京工业大学城市建设学部 北京 100124 2 军事科学院国防工程研究院 北京 100850 3 农业农村部规划设计研究院 北京 100125 4 农业农村部农业设施结构设计与智能建造重点实验室 北京 100125 摘 要 为研究连栋温室柱脚节点尺寸对节点承载力的影响 依托珠海某Venlo型温室项目 基于 混凝土结构设计规 范 化工设备基础设计规定 以及 混凝土结构构造手册 对中柱基础短柱和边柱柱脚节点的构造进行设计 通过数 值模拟和节点试验研究了中柱基础短柱柱脚节点的抗弯性能 边柱柱脚节点的抗剪性能以及破坏机理 结果表明 2种 节点的屈服荷载和极限荷载随着节点构造尺寸的减小而降低 其破坏过程可划分为3个阶段 弹性阶段 屈服阶段 极 限承载力阶段 中柱基础短柱柱脚节点破坏模式为受拉侧混凝土锥形破坏 边柱柱脚节点的破坏模式为混凝土楔形体破 坏 研究结果可为连栋温室柱底地脚螺栓节点设计提供参考 关键词 温室 荷载 力学性能 连栋温室 柱脚节点 优化分析 doi 10 11975 j issn 1002 6819 202304015 中图分类号 TU391 文献标志码 A 文章编号 1002 6819 2024 03 0240 11 李雄彦 徐航 徐开亮 等 Venlo型温室柱脚螺栓节点力学性能 J 农业工程学报 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 温室是实现作物优质高效生产的重要设施 在保障 多元化食物供给方面发挥了重要的作用 Venlo型温室 是温室的典型结构形式 具有骨架材料用量少 结构件 遮光率低 使用寿命长 环境调控能力高等特点 近年 来得到广泛应用 Venlo型温室起源于20世纪60年代的荷兰 由荷 兰国立工学研究所的Germing首创 1 屋面结构采用小 截面铝合金型材 覆盖材料采用浮法玻璃或PC 聚碳酸 酯 polycarbonate 板等 中国于20世纪80年代开始 引进Venlo型温室 自20世纪90年代起 中国学者开始对Venlo型温 室的荷载效应 2 4 受力特征 5 8 优化设计 9 11 等方面进 行研究 但是以上研究主要针对温室的上部钢结构 而 柱脚节点的研究较少 目前国内Venlo型温室柱底多采 用地脚螺栓与基础或基础短柱连接 由于温室的高度较 低且上部结构的重量较轻 与普通民用建筑相比 温室 柱脚承受的荷载相对较小 因此 温室柱脚节点尺寸较 小 目前针对钢柱柱脚节点力学性能的研究多集中于工 业与民用建筑 例如节点破坏形式 12 15 静力性能 16 19 抗震性能 20 23 等方面 对于该类温室小承载力柱脚节点 的力学性能研究及设计标准相对缺乏 为研究连栋温室柱脚节点的力学性能 规范柱脚节 点尺寸及连接方式 本研究依托珠海某Venlo型温室项 目 基于有限元模拟分析和节点试验 研究Venlo型温 室中柱基础短柱和边柱柱脚节点的力学性能 分析中柱 基础短柱柱脚节点的抗弯性能和边柱柱脚节点的抗剪性 能 验证有限元分析方法的合理性和准确性 以期为节 点的设计提供参考 1 Venlo型温室工程概况 1 1 温室结构参数 珠海某Venlo型温室结构剖面如图1所示 其结构 尺寸为 跨度9 6 m 尖顶3 2 m 开间4 5 m 檐高 6 5 m 脊高7 17 m 中柱截面尺寸为200 mm 100 mm 4 mm 边柱截面尺寸为200 mm 200 mm 6 mm 图2 为Venlo型温室柱网示意图 图中所示外围柱子为边柱 中间柱子为中柱 温室荷载取值依据 农业温室结构荷载规范 GB T 51183 2016 选取计算 其中永久荷载为 0 15 kN m2 屋面活荷载为0 10 kN m2 基本风压为 0 85 kN m2依据表1的各类荷载的组合系数行荷载组合 共形成5种荷载组合工况 收稿日期 2023 04 04 修订日期 2024 01 16 基金项目 农业农村部农业设施结构设计与智能建造重点实验室开放课题 连栋温室柱底地脚螺栓连接的参数研究 202002 农业农村部规划设计 研究院自主研发项目 SH202111 作者简介 李雄彦 博士 教授 研究方向为空间结构 Email xiongy2006 通信作者 曹楠 正高级工程师 研究方向为农业设施工程技术的研究 设计和标准化 Email caonan 第 40 卷 第 3 期农 业 工 程 学 报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 图1 Venlo型温室的结构示意图 Fig 1 Structure diagram of Venlo greenhouse 9 600 9 600 9 600 4 500 4 500 4 500 13 500 28 800 边柱 Side column 中柱 Central column 图2 Venlo型温室柱网示意图 Fig 2 Diagram of Venlo greenhouse column network 表 1 荷载组合 Table 1 Load combination kN m 2 组合号 Combination number 永久荷载 Dead load 活荷载 Live load 风荷载 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 为荷载效应组合值系数 活荷载取0 7 风荷载取0 6 Note is load combination coefficient which is 0 7 or 0 6 according to live load or wind load 1 2 柱脚构造设计 本文针对边柱和中柱的柱脚节点开展内力研究和分 析 因建设地点地质条件限制 温室项目基础为钢筋混 凝土桩基础 顶部设置一层框架结构的架空层 钢柱柱 脚连接在框架柱 梁 上 温室的边柱和中柱的柱脚位 置与基础连接形式可分为两种 其中边柱直接与架空层 连接 边柱柱脚节点采用两锚栓连接 按铰接计算 中 柱柱脚与中柱基础短柱顶用一锚栓连接 按铰接计算 基础短柱底与架空层连接 采用四锚栓锚固 按固接计 算 柱脚节点各部件位置示意图如3所示 图4 图5 为2种柱脚节点结构图 图中锚栓边距为锚栓中心至基 础混凝土边缘的距离 两种柱脚节点各部件尺寸及位置 关系根据现有的3个规范 24 26 中的规定进行设计 混凝土结构设计规范 中 受弯和受拉预埋件的锚栓 边距最小距离为3倍的锚栓直径和45 mm 受剪预埋件 最小距离为6倍的锚栓直径和70 mm 化工设备基础 设计规定 中 锚栓边距最小距离为4倍的锚栓直径及 100 mm 混凝土结构构造手册 中 柱脚节点的锚栓 边距最小距离为4倍的锚栓直径及150 mm 按照规范规 定进行梁 柱配筋并保证各节点配筋率相同 锚栓 Anchor 抗剪键 Shear connector 基础 Foundation 二次灌浆层 Secondary pouring layer 中柱基础短柱 Steel column 柱底板 Column base plate 锚栓边距 Anchor bolt edge distance a 中柱基础短柱柱脚节点 a Central foundation short column joint 锚栓 Anchor 基础 Foundation 二次灌浆层 Secondary pouring layer 锚栓边距 Anchor bolt edge distance 柱底板 Column base plate 边柱Side column 抗剪键 Shear connector b 边柱柱脚节点 b Side column joint 图3 节点各部件位置示意图 Fig 3 Location diagram of each component of joint a 平面图 a Plane graph 200 200 4005050 1 2 1 2 500 200 d1抗剪键Shear connector b 1 1剖面图 b 1 1 profile graph 钢柱 Steel column 抗剪键槽 Shear connector groove 二次浇灌层 Secondary pouring layer 155 90 155 100 50 c 2 2剖面图 c 2 2 profile graph M16 Q235B 压板 Pressure plate 垫板 Cushion plate 150150 100 50 360 d1 d 2 d 2 注 d1 d2为锚栓边距 mm Note d1 d2 are anchor bolt edge distance mm 图4 中柱基础短柱柱脚节点结构图 Fig 4 Structure diagram of central foundation short column joint 第 3 期李雄彦等 Venlo型温室柱脚螺栓节点力学性能241 a 平面图 a Plane graph 50 50 50 50 100 100 抗剪键 Shear connector 3 4 3 4 b 3 3剖面图 b 3 3 profile graph 钢柱 Steel column 100 M16 Q235B 压板 Pressure plate 垫板 Cushion plate c 4 4剖面图 c 4 4 profile graph 抗剪键槽 Shear connector groove 二次浇灌层 Secondary pouring layer 105 105 100 50 90 d1 d1 图5 边柱柱脚节点结构图 Fig 5 Structure diagram of side column joint 依据以上规范对柱脚螺栓安装构造的要求 本研究 分别对中柱基础短柱柱脚和边柱柱脚节点进行设计 得 到3种规范对应的节点编号和锚栓边距 节点编号与锚 栓边距详见表2 其中中柱基础短柱柱脚节点在建造时 受短柱下方的框架梁尺寸的限制 因此 ZZ2锚栓间距 不变 锚栓边距在顺内力和横内力方向的尺寸不同 其 余节点构造设计时只改变顺内力方向的锚栓边距 温室 边柱下方一般为通长的反坎 锚栓边距为锚栓距离基础 梁一侧的距离 表 2 柱脚节点编号与设计依据 Table 2 Column joint number and design basis 节点类型 Joint type 节点编号 Joint number 设计依据 Design basis 锚栓边距 Anchor bolt edge distance mm d1 d2 中柱基础短柱柱脚 节点 Central foundation short column joint ZZ1混凝土结构设计规范100 100 ZZ2化工设备基础设计规定100 150 ZZ3混凝土结构构造手册150 150 边柱柱脚节点 Side column joint BZ1混凝土结构设计规范125 BZ2化工设备基础设计规定150 BZ3混凝土结构构造手册200 2 柱脚节点数值模拟分析 2 1 模型信息 2 1 1 材料参数 本文研究中主要涉及3种材料 其中基础部分由 C30混凝土和微膨胀灌浆料组成 钢柱和锚栓材料等级 为Q235 锚栓直径16 mm 材料参数的选取见表3 相 关规范中对材料特性均有相关参数规定 但本文后续还 需开展节点的试验研究 因此根据实际的材料开展了材 性试验 得到混凝土及锚栓材料的相关参数 材性试验 结果详见表4和表5 表 3 材料参数 Table 3 Material parameters 材料Materials混凝土Concrete钢材Steel钢筋Rebar 材料等级Material grade C30 Q235 HRB400 材料模型Material model CDP弹塑性弹塑性 单元类型Element type C3D8R C3D8R T3D2 表 4 混凝土及灌浆料材性试验结果 Table 4 Test results of concrete and grouting material properties 材料 Materials 试块尺寸 Test block size mm mm mm 抗压强度平均值 Average compressive strength MPa 混凝土Concrete 150 150 150 31 4 灌浆料Grouting material 70 7 70 7 70 7 47 7 表 5 锚栓材性试验结果 Table 5 Test results of anchor bolt properties 锚栓类型 Anchor type 弹性模量Young s modulus GPa 屈服强度Yield strength MPa 抗拉强度Tensile strength MPa M16 199 287 429 2 1 2 模型建立 本文采用ABAQUS软件对结构进行数值模拟分析 已按后续试验研究中的材性试验修正 为准确模拟节点 的边界条件 在两类节点下方一并建立框架柱以及周围 框架梁模型 柱底为梁的情况经试算与柱底为柱的情况 区别很小 故不考虑其差异性 接触设置中 钢筋与混 凝土采用Embedded 钢材与混凝土之间为摩擦接触 摩 擦系数为0 4 27 并且考虑锚栓与混凝土之间粘结滑移作 用 同时 对两种节点下方的梁 柱构件在3个方向的 平动 转动自由度施加远端约束 经试算 中柱基础短柱柱脚节点采用转角加载 转 角为0 04 rad 边柱柱脚节点采用位移加载 数值为 8 mm 两种节点荷载施加的位置均为钢短柱底板中心位 置 如图6所示 a 中柱基础短柱柱脚节点 a Central foundation short column joint b 边柱柱脚节点 b Side column joint 图6 节点网格划分 Fig 6 Grid division of joint 242农业工程学报 http www tcsae org 2024 年 2 2 结果与分析 2 2 1 中柱基础短柱柱脚节点内力分析 本文引入构件屈服点的概念 构件屈服点是描述构 件中某一部分或全部实际进入塑性的特征点 采用冯鹏 等 28 提出的最远点法进行计算 该方法具有适用范围广 泛 易于进行电算的优点 分析结果如图7所示 3种 构造的中柱基础短柱柱脚节点变形过程基本一致 可分 为3个阶段 第1阶段为弹性阶段 转动刚度保持不变 受拉侧锚栓应力迅速增加 直至受拉侧混凝土从锚栓孔 至混凝土边缘开裂 第2阶段为屈服阶段 节点达到屈 服点 转动刚度迅速下降 受拉侧锚栓屈服 受压侧混 凝土从锚栓孔至混凝土边缘开裂 第3阶段为极限承载 力阶段 节点达到极限承载力 受拉侧混凝土锥形破坏 节点形成塑性铰 3种构造的中柱基础短柱柱脚节点在 弹性阶段刚度相当 屈服承载力与极限承载力随着锚栓 边距的增加而增大 ZZ1 ZZ3屈服承载力依次为19 51 21 48 23 17 kN m ZZ1 ZZ3极限承载力依次为22 76 25 46 27 48 kN m 3种构造的节点应力较大的区域出 现在受拉侧锚栓 抗剪键 钢筋的上半部 箍筋并未屈 服 3种构造的中柱基础短柱柱脚节点均能够满足实际 工程的要求 0 01 0 02 0 03 0 040 5 10 15 20 25 30 ZZ1 ZZ2 ZZ3 屈服点Yield point 极限承载点 Ultimate bearing point弯矩 Bending moment kN m 转角Corner rad 图7 中柱基础短柱柱脚节点的弯矩 转角曲线 Fig 7 Bending moment corner curves of central foundation short column joint 为了更直观地说明柱脚的破坏特点 分别列出3种 节点发生破坏时的混凝土损伤情况及锚栓应力云图 如 图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 混凝土内部拉伸损伤 b Concrete internal tensile damage 应力 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 应力 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 应力 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 锚栓应力 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 混凝土拉伸损伤 a Concrete tensile damage ZZ1 ZZ2 ZZ3 注 DAMAGET为受拉损伤因子 Note DAMAGET is a tensile damage factor 图8 中柱基础短柱柱脚节点破坏模式 Fig 8 Central foundation short column joint failure mode 第 3 期李雄彦等 Venlo型温室柱脚螺栓节点力学性能243 2 2 2 边柱柱脚节点内力分析 从图9中能够看出 3种边柱柱脚节点的变形过程 基本一致 也可分为3个阶段 第1阶段为弹性阶段 锚栓应力较小 抗剪键槽位置刷新出现损伤后 锚栓前 沿混凝土因为受局部压应力过大而产生由锚栓孔至锚栓 前沿混凝土边缘的裂缝 第2阶段为屈服阶段 节点达 到屈服点 锚栓前沿混凝土压碎剥离 锚栓因失去混凝 土约束而迅速屈服 节点刚度迅速下降 第3阶段为极 限承载力阶段 节点达到极限承载力 锚栓前沿混凝土 自由表面范围继续扩大 裂缝之间相互贯通 形成完整 的楔形混凝土破坏模式 3种构造的边柱柱脚节点的屈 服承载力与极限承载力随着锚栓边距的增加而增大 BZ1 BZ3屈服承载力依次为50 80 65 76 98 84 kN BZ1 BZ3 极限承载力依次为67 27 88 26 130 47 kN 3种构造 的边柱柱脚节点均能够满足实际工程的要求 图10为3 种节点破坏时混凝土损伤情况及锚栓应力云图 通过对3种构造的中柱基础短柱柱脚节点和边柱柱 脚节点的数值模拟分析能够看出不同构造下同类节点的 变形过程与破坏模式基本一致 且承载力均能满足实际 工程要求 接下来通过试验研究进一步验证数值模拟的 准确性 80 140 剪切荷载 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 屈服点Yield point 极限承载点 Ultimate bearing point BZ3 BZ2 BZ1 图9 3种边柱柱脚节点荷载 位移曲线 Fig 9 Load displacement curves of side column joint 应力 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 应力 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 锚栓应力 c Anchor bolt stress 应力 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 混凝土内部拉伸损伤 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 混凝土拉伸损伤 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 图10 边柱柱脚节点破坏模式 Fig 10 Side column joint failure mode 3 柱脚节点试验 3 1 试件设计与制作 试件按照数值模拟分析的模型每种节点各加工1个 共6个 由于加载条件的限制 对试件进行了部分简化 图11为试件构造图 3 2 加载方式及测量方案 中柱基础短柱柱脚节点加载装置如图12所示 首先 将试件固定于地面上 在钢柱脚上部通过高强螺栓连接 一根加载梁 244农业工程学报 http www tcsae org 2024 年 利用布置在加载梁的两端的千斤顶施加节点位置的 弯矩 千斤顶通过铰接支座与加载梁连接 边柱柱脚节 点加载装置如图13所示 将试件固定于反力架上 利用 千斤顶对加载板向上的推力以施加对节点位置的剪力 a 中柱基础短柱柱脚节点 a Central foundation short column joint b 边柱柱脚节点 b Side column joint 1 900 400 1 500 500500 20 20 280 5001 120 300 500 图11 试件构造图 Fig 11 Specimen structure diagram 作动器 Actuator 作动器 Actuator 试件 Test piece 反力架 Reaction frame b 现场图 b Field diagram a 装置示意图 a Installation diagram 图12 中柱基础短柱试验加载装置 Fig 12 Loading device of central foundation short column joint test 试件安装完成后 预加载采用有限元结果中的破坏 荷载的1 10 再卸载至0 以消除部分误差并检查各部 分是否正常工作 2个试验的正式加载均采取力 位移混 合加载方式 根据估算的承载力进行分级加载 每级为 破坏荷载的1 10 加载初期由力控制 加载后期 构件 变形明显加大 此时加载由位移控制 每级2 mm 直至 构件破坏 b 现场图 b Field diagram 作动器 Actuator 试件 Test piece a 装置示意图 a Installation diagram 图13 边柱加载装置 Fig 13 Loading device of side column test 加载点处的控制荷载通过与千斤顶相连的力传感器 进行测量 柱底板 锚栓和抗剪键的应变通过应变片测 量 中柱基础短柱柱脚节点的竖向位移通过放置在钢柱 连接板两端的位移计进行测量 转角通过位移计距节点 中心距离进行测量 边柱柱脚节点的底板两侧各放置一 个位移计 以此测量柱底板的剪切位移 计算时取平均 值作为实际剪切位移 3 3 试验结果与有限元结果对比分析 3 3 1 中柱基础短柱柱脚节点抗弯性能 ZZ2与ZZ3的弯矩 转角有限元结果曲线与试验结果 曲线基本匹配良好 试验曲线中能够清晰分辨出节点破 坏的不同阶段 且这2种节点试验与有限元分析的屈服 荷载 极限荷载 弹性阶段刚度相差在15 以内 如 图14所示 表明该模拟方法能够较好地模拟中柱基础短 柱柱脚节点在弯矩作用下的变形过程 0 01 0 02 0 03 0 040 5 10 15 20 25 30 转角Corner rad 试验Test 有限元FEM ZZ1 ZZ3 ZZ2 节点编号 Joint number 弯矩 Bending moment kN m 图14 中柱基础短柱柱脚节点试验与有限元结果曲线对比 Fig 14 Curve comparison between central foundation short column joint test and finite element results ZZ1在弹性阶段曲线吻合情况良好 但由于在破坏 过程中 该试件在二次浇筑界面位置出现了缝隙 所以 过早的进入了屈服阶段 导致极限荷载与有限元分析结 果相比较小 3个中柱基础短柱柱脚节点的破坏模式均 为受拉侧锚栓先屈服 随后受拉侧混凝土开裂 最后受 压侧混凝土被压碎 有限元模拟结果能直观地模拟出底 板翘曲 混凝土椎体破坏等破坏模式 如图15所示 因 此 该有限元分析方法可以较为合理地预测中柱基础短 柱柱脚节点的破坏模式 b 受拉损伤云图 b Tensile damage diagram a 试验现场图 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 图15 中柱基础短柱柱脚节点混凝土裂缝 Fig 15 Concrete cracks at central foundation short column joint 第 3 期李雄彦等 Venlo型温室柱脚螺栓节点力学性能245 3 3 2 边柱柱脚节点抗剪性能 如图16所示 BZ1 BZ2的试验曲线和有限元结果 吻合较好 试验曲线的屈服阶段较有限元结果更明显 BZ3试验曲线的初始弹性阶段与有限元曲线比较吻合 且这2种节点试验与有限元分析的屈服荷载 极限荷载 弹性阶段刚度相差在10 以内 这是由于在加载初期 该试件的二次灌浆层与混凝土基础存在一定的相对位移 导致锚栓提前失去混凝土的约束 使得该构件承载力 较低 80 140 剪切位移Shear displacement mm 试验Test 有限元FEM BZ1 BZ3 BZ2 节点编号 Joint number 剪切荷载 Shear load kN 1 2 3 4 5 6 7 20 40 60 80 100 120 图16 边柱柱脚节点试验与有限元结果曲线对比 Fig 16 Curve comparison between side column joint test and finite element results 3个边柱柱脚节点的破坏模式均为锚栓周围的混凝 土出现冲切破坏 锚栓在冲切破坏后受到剪力和拉力的 作用屈服 最后出现楔形混凝土被推出的现象 试验破 坏情况与有限元模拟结果基本相符 如图17所示 b 受拉损伤云图 b Tensile damage diagram a 试验现场图 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 图17 边柱柱脚节点混凝土裂缝 Fig 17 Concrete cracks at side column joint 4 参数化分析 4 1 锚栓直径 锚栓直径的改变对节点承载力影响较大 但并没有 改变节点破坏模式 锚栓直径对节点在弹性阶段的刚度 影响较小 如图18所示 由表6可知 锚栓直径减少 4 mm会导致构件的抗弯承载力下降约20 30 这是 因为节点的抗弯承载力在很大程度上取决于受拉侧锚栓 的抗拉承载力 而锚栓直径是影响锚栓抗拉承载力的关 键因素之一 0 01 0 02 0 03 0 040 40 转角 Corner rad ZZ1 ZZ3 ZZ2 节点编号 Joint number 弯矩 Bending moment kN m 10 20 30 12 16 20 直径 Diameter mm 图18 不同锚栓直径下中柱基础短柱柱脚节点的 弯矩 转角曲线 Fig 18 Bending moment corner curves of central foundation short column joint under different anchor diameters 表 6 不同锚栓直径下中柱基础短柱抗弯承载力统计表 Table 6 Statistical table of flexural capacity of central foundation short column joint under different anchor diameters 锚栓直径 Bolt diameter mm 抗弯承载力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 锚栓主要在节点屈服后对边柱柱脚节点的抗剪承载 力发挥作用 如图19所示 在早期阶段 节点主要以混 凝土局部受压为主 锚栓应力水平较小 然而 当混凝 土发生开裂后 锚栓逐渐发挥其抗剪作用 而锚栓的直 径直接影响其抗剪承载力 从而对节点的极限承载力产 生重要影响 从表7中可以计算出锚栓直径对极限承载 力的影响范围在9 25 之间 此外 随着锚栓边距 的减小 锚栓直径对节点极限承载力的影响增大 随着 锚栓直径的减小 极限承载力的下降速率也会加快 80 140 剪切位移 Shear displacement mm BZ1 BZ3 BZ2 节点编号 Joint number 剪切荷载 Shear load kN 1 2 3 4 5 6 7 20 40 60 80 100 120 12 16 20 直径 Diameter mm 图19 不同锚栓直径下边柱柱脚节点的荷载 位移曲线 Fig 19 Load displacement curves of side column joint under different anchor diameters 246农业工程学报 http www tcsae org 2024 年 表