脱空缺陷对圆端形椭圆钢管混凝土T形相贯节点轴压性能影响

现代社会对建筑外观美学和结构效率的要求日益提高，传统圆、方形钢管/钢管混凝土难以进一步满足建筑多元化需求。圆端形椭圆钢管由于融合了圆形和矩形截面的特征优势，其截面矩形部分可实现快捷连接，而圆端部分可对核心混凝土形成良好约束，因此近年来圆端形椭圆钢管混凝土在桥梁和空间 大跨度桁架 结构中得到了广泛应用。

然而，据交通运输协会对全国200余座在服役期内的钢管混凝土桥梁主体结构检测发现，其中大部分存在混凝土脱空缺陷问题。脱空缺陷会造成混凝土与钢管之间的界面发生局部或完全脱离，削弱或消除两者间的相互作用，降低构件承载力和刚度，忽略其影响可能使工程存在较大安全隐患，引发结构损伤、破坏倒塌，甚至造成人员伤亡和重大经济损失。因此有必要进一步研究脱空缺陷对圆端形椭圆相贯节点受力性能的影响。

为此，课题组针对带脱空缺陷圆端形椭圆钢管混凝土T形相贯节点，开展其支管受压性能试验及理论研究，分析脱空缺陷和相贯类型等关键特征参数对破坏形态、承载力、初始刚度和延性等受力性能的影响规律，并基于节点域典型受力特征建立考虑脱空缺陷影响的圆端形椭圆钢管混凝土T形相贯节点的轴压受力模型和承载力计算公式。相关成果发表在《建筑结构学报》2022年第12期。

通过试验手段，共设计6个带脱空缺陷的圆端形椭圆钢管混凝土T形相贯节点和4个无脱空缺陷的圆端形椭圆钢管混凝土相贯节点。研究主管混凝土脱空率、节点相贯类型和主支管相贯比等重要参数对节点受力性能的影响。根据圆端形椭圆钢管的主次轴分布特征和主、支管主次轴的相对位置关系，按主支管的相贯形式，圆端形椭圆钢管混凝土T形相贯节点可以分为四类，如图1所示。

同时，由于桁架结构常用于水平承载结构，其灌注混凝土的弦杆通常呈水平布置。因此，主管混凝土在灌注时由于重力作用，往往易出现泌水、离析和气腔等问题，进而产生“球冠形”脱空缺陷。根据主管布置方式的不同，其主管混凝土脱空界面可以分为两类，如图2所示。

试验在合肥工业大学土木工程结构与材料安徽省级重点结构实验室进行，对节点支管直接施加轴压荷载，同时对主管两端采用铰接边界，加载装置如图3所示。

3.1  破坏模式

无脱空缺陷的圆端形椭圆钢管混凝土T形相贯节点在支管受压下的破坏形态主要表现为受压支管局部屈曲、主管受压上翼缘挤压鼓曲、主管跨中挠度过大，如图4所示。节点的破坏形态主要由支管轴压强度和主管抗弯强度的相对强弱决定。即当主支管相贯比偏小时，试件支管轴压强度较低，支管率先发生受压屈曲；当主支管相贯比偏大时，支管轴压强度较高，主管呈三点受弯状态，主管跨中上翼缘因受压产生鼓曲变形，最终节点由于在主管跨中挠度过大退出工作。

图4  圆端形椭圆钢管混凝土T形相贯节点破坏现象及机理

有别于无脱空相贯节点，带脱空缺陷圆端形椭圆钢管混凝土T形相贯节点在支管受压作用下，除具有受压支管局部屈曲和主管跨中挠度过大等破坏形态外，还表现出节点域主管上翼缘凹陷这一特征破坏形式，如图5所示。这是由于主管截面顶部混凝土脱空的出现，导致节点相贯区缺乏混凝土的支撑作用，主管上翼缘脱空区在局部压力作用下产生明显的凹陷变形。同时，试验现象表明节点域主管上翼缘脱空区的凹陷现象与主支管相贯区域是否在混凝土脱空区范围内有关。即主支管相贯区在主管脱空区域内时，节点域主管上翼缘会出现明显的凹陷现象；但当主支管相贯区超出主管脱空区域时，相贯区边缘在主管混凝土的支撑作用下，抑制了上翼缘的凹陷行为。

3.2  荷载-位移曲线

图6为圆端形椭圆钢管混凝土相贯节点的荷载-位移曲线。

对比图6的试件曲线发展趋势、峰值荷载、初始刚度和延性系数等，有以下发现：

1）曲线发展趋势。对于无脱空缺陷圆端形椭圆钢管混凝土T形相贯节点，在主支管相贯比偏小时，节点支管会率先发生受压屈曲破坏，其荷载-位移曲线出现明显峰值点和下降段；而当主支管相贯比偏大时，节点主管发生受弯破坏，其荷载-位移曲线并没有明显的峰值点和下降段，试件表现出良好的延性。对于带脱空缺陷圆端形椭圆钢管混凝土T形相贯节点，当主支管相贯比偏小或支管与主管平直段相交时，试件的荷载-位移曲线表现出典型的“二次上升”现象；当主支管相贯比偏大且支管与主管圆弧段相交时，由于主支管相贯区域延伸至主管翼缘脱空区外，主管脱空区并未发生明显的凹陷变形，因此节点的荷载-位移曲线并无明显的峰值点和下降段。

2）峰值荷载和初始刚度。对比试件峰值荷载和初始刚度发现，主管混凝土脱空缺陷的出现会显著降低T形相贯节点支管受压作用下的承载力和初始刚度。而主支管相贯区域在混凝土脱空区内的节点初始刚度会发生更大程度的削弱；随着脱空率的增大，T形相贯节点在支管受轴压作用下的承载力和初始刚度显著减小；主支管相同时，支管与主管圆弧段相交的节点在轴压承载力和初始刚度上比支管与主管平直段相交的节点有明显优势。

3）延性系数。对比试件位移延性系数可知，无脱空缺陷的圆端形椭圆钢管混凝土T形相贯节点在支管受轴向压力作用下表现出良好的延性。当主支管相贯比偏小时，支管率先受压屈曲破坏，试件位移延性系数略小。而当主支管相贯比偏大时，支管轴压强度较大，主管发生挠度变形，表现出良好的受弯性能，此时试件位移延性系数显著增大；带脱空缺陷圆端形椭圆钢管混凝土T形相贯节点试件在支管受轴压作用下也保持着良好的延性性能。相较于同等条件无脱空的T形相贯节点，其位移延性系数显著降低，且随着混凝土脱空率的增大，节点的位移延性系数持续减小。

根据圆端形椭圆钢管混凝土相贯节点的脱空截面特征和节点相贯类型特点，基于组件法对带脱空T形相贯节点的轴压承载力进行了推导。由于推导过程较为复杂，仅对基本思路进行阐述。

1）当主支管相贯区域在主管翼缘混凝土脱空区内时，试件的荷载-位移曲线呈现典型的二次上升特征。最终支管受压，全截面可达屈服应力。节点承载力可通过计算支管截面强度求得。

2）当主支管相贯区域延伸至主管翼缘混凝土脱空区以外时，搭接在混凝土填充区的支管部分的纵向应力较大，伴随试件支管出现屈曲或屈服，此部分钢管也达到屈服，而混凝土脱空区上方的钢管纵向应力较小，假定其不参与工作。以相贯类型为T3的T形相贯节点为例，其支管受力分区如图7所示。此时，节点承载力等效为屈服段的截面强度。

4.2 主 管局压破坏 （ N ₂ ）

相关研究结果表明，钢管混凝土相贯节点在支管轴压强度较高且主支管径比较小时，主管核心混凝土在局部横向压力较大的情况下可能出现压溃现象。同样地，当带脱空缺陷圆端形椭圆钢管混凝土的主管脱空翼缘凹陷变形接触到主管内部混凝土脱空界面时，内部填充混凝土开始承压，并不断发挥支撑作用。此时，当局部承压截面较小或核心混凝土强度等级较低时，混凝土易出现局部承压破坏。根据局压扩散机理（图8），求解局压扩散面积后，根据规范CIDECT—2009即可求得最大承压力，即为对应情况下节点支管可施加的最大轴力 N ₂ 。

4.3  主管抗弯破坏 （ N ₃ ）

基于试验破坏模式分析可知，节点同时可能发生抗弯破坏，根据主管脱空上翼缘的凹陷情况与相贯类型，其受弯承载力分为四种情况（图9），具体表现为：1)主管主轴翼缘未凹陷；2)主管主轴翼缘凹陷；3)主管次轴翼缘未凹陷；4)主管次轴翼缘凹陷。

对于图 9a和图 9c出现的主管翼缘未凹陷的情况，可利用截面受弯的力和弯矩平衡方程求解其受弯承载力。而对于图 9b和图 9d出现的主管翼缘凹陷的情况，则通过将凹陷钢管翼缘区域等效为面积相等且与脱空界面等长平行的钢材平板求解受弯承载力。最终建立节点支管受压轴力与主管承受弯矩的力学平衡方程，求解对应条件下的支管最大轴力 N ₃ 。

基于上述分析，取上述 N ₁ 、 N ₂ 和 N ₃ 的最小值，即为支管受压的带脱空缺陷圆端形椭圆钢管混凝土T形相贯节点的轴压承载力。理论公式计算结果与试验值的比较可参见原文。