大连中石油大厦位于辽宁省大连市, 属于地标性建筑, 建筑总高度176.2m, 其中主体结构40层, 结构高度169.5m, 是国内率先采用斜交网格筒体结构的超高层结构 (图1) 。斜交网格筒体结构在国内超高层建筑中应用较少^[1,2,3,4], 特别是矩形平面结构, 矩形角部容易出现应力集中现象^[5,6], 且水平构件受到斜向压力作用会形成混凝土拉杆效应, 导致混凝土过早开裂;其次是竖向刚度较弱, 竖向荷载作用下的网格节点水平位移明显。而其优点是立面造型美观, 结构整体水平抗侧刚度较大^[7,8,9,10]。为配合建筑效果, 突破传统概念, 大连中石油大厦结构体系优先选用了交叉网格筒体结构。设计过程中, 对于受力集中的平面转角位置混凝土节点 (按照形状简称为DK形混凝土节点, 图1 (b) ) 开展了试验研究和数值模拟分析, 通过极限承载力和破坏性试验研究DK形混凝土节点的基本受力特性和失效过程。

　　 对于DK形混凝土节点的试验研究, 主要是为了检验关键节点在正常使用荷载作用下, 结构的基本受力特征和工作状态, 同时通过极限加载破坏, 获取结构的极限承载力与失效特征, 进一步探讨提高此类节点极限承载力的加强措施, 为DK形混凝土节点的设计应用积累基础资料。

　　 为对比分析, 共设计了4个试件, 编号为DK-1, DK-2, DK-3, DK-4, 依据ETABS软件设计成果, 选择位于7层角部位置的DK形混凝土节点做为原型结构, 采用相似比为1∶5进行缩尺, 节点区断面尺寸为240mm×240mm, 斜柱截面尺寸为140mm×180mm, 斜柱外伸出节点区的长度不小于截面高度的2倍, 斜柱内纵筋为414, 箍筋为10@50, 由于重点关注区域为节点部分, 因此节点区内的箍筋选用了两种配置方式, 其中试件DK-1, DK-3节点区内的箍筋为10@160, 试件DK-2, DK-4节点区内的箍筋为10@120, 以考察箍筋配箍率对节点区承载能力的影响。同时为避免斜柱先于节点破坏而导致试件无法持续加载, 除节点区配置了512的附加纵筋外, 在斜柱内部均配置了I10钢骨, 以使斜柱正截面承载力提高50%以上, 斜柱的荷载设计值N_load为462.97k N, DK形节点试件配筋及型钢配置见图2 (a) 。

　　 试件养护温度保持在55℃, 湿度控制为100%, 蒸养持时为4.5d。整体节点试验前, 对于同期养护混凝土的立方体试块进行强度测试, 对钢筋进行相应拉伸检测, 材料性能如表1所示。有限元分析中以此表做为材料特性的基本信息。同时为便于测量, 在节点斜柱端及节点区设置了相应的位移计, 在节点浇筑前, 节点钢筋粘贴了钢筋应变片, 测量布点见图2 (b) 。

　　 试验采用自行设计的钢制自平衡加载环对试件进行空间多向加载, 加载系统及现场情况如图3所示。试件的4个柱脚设置了加载用的刚性垫板, 即一端两斜柱通过楔块与环梁顶紧, 另一端两斜柱均单独有千斤顶加载。加载制度分两种, 对于DK-2和DK-3柱端加载采用同步同值加载 (等值加载) 。而为模拟更不利的情况, 考虑结构平面角部节点双向受力的不均匀性, 对DK-1和DK-4采用一种差值加载方式, 即先按照等值加载至不小于1.2N_load (N_load为斜柱承载力设计值) 后, 保持一侧面两斜柱的荷载值不变, 而另一侧面将持续加载至最终破坏。预加载荷载变化为0k N→50k N→0k N, 每级荷载持时1min, 重复预载三次, 消除安装间隙及完成设备调整后, 正式加载按照一级50k N分级持续加载, 最终状态以局部出现混凝土压碎为止。

　　 节点试验中的主要失效发展过程以及最终破坏现象和位置如表2所示, 试验主要特征为:1) 在荷载加载过程中, 无论是等值加载还是差值加载, 节点率先出现裂缝的位置都是在斜柱交叉位置, 主要是这一区域内应力集中现象明显;裂缝的发展随着荷载级别的提高愈发严重。2) 在极限荷载作用下, 节点的失效破坏表现为斜柱段的混凝土崩碎;节点区腹部有一定的横向膨胀变形, 但没有大块混凝土脱落现象。

　　 通过试验现象及图4中试件裂缝发展及破坏情况可知, 在试验前期为考察节点区段的强度, 刻意在斜柱内增加了H型钢骨来提高截面承载力, 但在试验过程中, 随着荷载的不断增加, 最终还是斜柱段先于节点交叉区出现破坏。分析其原因和机理, 首先由于斜柱的加载端受力较为集中和复杂, 通常在斜柱端率先出现裂缝, 而节点区始终未出现明显破坏是因为节点交叉区域内的横断面较大, 整体应力水平低于斜柱段;此外节点区的配箍率也高于斜柱段, 导致该截面的承载力明显较高。而斜柱端最终破坏则主要是因为在外荷载作用下, 纵筋内外的混凝土均被压碎, 箍筋崩断导致对纵筋约束减弱, 纵筋压弯破坏。

　　 整个节点区域由于箍筋加密作用, 而未出现大面积破坏。通过试验现象也发现, 差值加载和等值加载两种情况下, 采用等值加载的两个节点试件极限荷载分别为1 000k N和850k N, 而采用差值加载的另外两试件的极限荷载分别达到900k N和800k N (表3) , 可见两种加载方式对节点的极限荷载和破坏过程影响并不显著, 其中最小极限荷载800k N约为斜柱承载力设计值N_load的1.73倍。而且由于试验过程中, 节点交叉区并未出现破坏, 而且节点区的配箍率是按照规范最小要求来保证的, 所以在DK形混凝土节点的设计过程中, 改变或进一步提高配箍率将不会使节点的失效模式和失效荷载改变。试件破坏时, 位移传感器测得各测点变形最大值, 如表4所示。

　　 显然, 试件节点区各个测点的变形均说明节点核心区发生了横向膨胀, 但从变形幅度来看, 节点的横纵向刚度均较大, 而且抵抗变形的能力也较强, 所以DK形混凝土节点在达到极限荷载的一瞬间, 试件具有脆性破坏特征。在加载过程中, 差值加载的节点DK-1和DK-4的斜柱压缩变形明显大于等值加载节点DK-2和DK-3, 说明在差值荷载作用下, 节点整体发生了一定错动变形, 而等值荷载下, 各斜柱的变形基本一致, 4个试件在节点区腹部的压缩变形也基本一致, 说明节点腹部区的整体刚度很好。

　　 为对试验现象进行比较分析, 同时为今后类似工作奠定数值分析基础, 对试验模型进行有限元分析。

　　 分析采用ABAQUS软件, 混凝土与型钢均采用具有20个节点的实体单元C3D20R进行建模。钢筋采用离散式桁架单元T3D2来精细化模拟, 混凝土强度:f_cu=45N/mm², f_c=0.76f_cu=34.2N/mm², f_t=0.395f_c⁰._u⁵⁵=3.205N/mm²。混凝土弹性区段取0.4f_c (压) , 0.6f_t (拉) 。本构关系选取文献[11]提出的混凝土偏压、偏拉本构关系曲线, E_c=3.188×10⁴N/mm²。混凝土采用ABAQUS软件内嵌混凝土塑性损伤模型, 钢筋选取随动强化模型, 材性假设为理想弹塑性模型, 纵筋屈服强度为398MPa, 箍筋屈服强度为217MPa, E_s=2.1×10⁵N/mm²。加载端采用均布加载来模拟加载区刚性垫块作用, 认为整体模型中型钢、钢筋和混凝土之间的作用是牢固粘结, 相对粘结滑移在计算中忽略, 各部件相互间变形协调原则定义如下:钢筋、型钢单元节点与粘结混凝土单元节点按照相关节点间距离的加权建立约束协同关系。

　　 整体有限元模型参照原型结构模拟, 以DK-2为例 (图5 (a) ) , 参照试验加载制度对结构进行静力加载, 节点破坏时混凝土应力分布如图5 (b) 所示。节点腹部区的混凝土发生横纵向膨胀变形, 斜柱与其节点腹部区初始相交点及斜柱加载端的应力集中现象突出, 此部分混凝土率先出现微裂缝并至压碎, 这与试验现象表现出的特征基本一致。柱及节点的纵筋、箍筋应力如图5 (c) , (d) 所示。可以看出, 穿越节点区的纵筋均出现较大的应力, 远离节点区中心点的位置纵筋有发生弯曲变形的趋势。

　　 4个试件各自柱顶加载力P与柱端位移Δ曲线如图6 (a) 所示。由图6 (a) 可知, 4个试件的P-Δ曲线变化趋势基本一致, DK-1和DK-4的极限荷载较大, 分别为1 390, 1 420k N;DK-2和DK-3的极限荷载则分别为1 220, 1 180k N, 数值模拟值相对于试验结果均偏大, 这是因为模型试验制作缺陷和材料本构的影响较大。从柱端的位移值来看, 加载过程中节点的变形较小, 外荷载达到极限荷载时, 柱端纵向位移有明显放大的趋势, 这也验证了试验中节点突然脆性破坏的特征。

　　 节点腹部中心的箍筋应力σ-柱端位移Δ曲线见图6 (b) 。从图6 (b) 可知, 箍筋在外荷载达到极限荷载前已经屈服, 但节点仍能继续承载, 而模型试验中箍筋屈服后, 箍筋对纵筋约束效应的减弱导致纵筋屈曲变形;箍筋崩断后, 纵筋和核心混凝土的无约束变形使节点达到极限荷载, 这一过程由于在数值仿真中无法实现, 所以也导致有限元分析的极限荷载偏高。

　　 (1) 按照节点腹部区截面最小配箍率为1.57%设计的DK形混凝土节点既可有效传递斜柱内力, 又能保证强节点的设计要求, 并且可在差值加载过程中保证极限荷载值较为稳定。因此在原型结构中基本可以忽略斜柱非均匀受载的不利影响。

　　 (2) 达到极限荷载前, 同轴穿越节点区的斜柱纵筋及节点区箍筋将发生屈服, 提高节点区的体积配箍率可起到减小横向膨胀变形的作用, 但对于提高极限承载力的作用不明显。

　　 (3) DK形混凝土节点从受载到极限荷载前能较好地进行持荷, 且整体压缩和膨胀变形较小, 在达到极限荷载的瞬间, 试件具有突然迸裂的破坏特征, 即节点属于脆性破坏。

　　 (4) 鉴于DK形混凝土节点的脆性破坏特征, 为保证地震作用下整体结构的安全性, 建议节点区采用纤维混凝土以充分改善节点乃至整体结构延性。

　　 (5) 有限元分析获得的DK形混凝土节点极限荷载相对试验值偏大22%~57%, 但基本可以充分反映节点的失效模式和失效机理, 可做为节点初步设计的重要依据。