第十五章特殊节点模拟试验方案。
15.1 特殊节点介绍。
应招标文件要求，本工程需要对三个特殊节点进行可靠性试验，特殊节点具体情况见表15.1-1。
表15.1-1 特殊节点介绍。
15.2 模拟试验地点及试验设备。
15.2.1 模拟试验地点。
试验拟安排在同济大学多功能振动台试验室进行。同济大学“多功能振动台试验室”位于同济大学嘉定校区**工程馆内，是教育部985工程二期建设子项目，该项目建设从2023年启动，2023年底完成试验室基础建设和设备安装工作。试验室建筑面积约为9500 m2，试验大厅长97.
5m，宽58m，高23.8m。由两个试验区域（多功能振动台试验区域及地锚和反力墙试验区域）组成。
图15.2-1 模拟节点试验室。
15.2.2 试验设备。
1) 多功能振动台试验系统。
同济大学多功能振动台试验系统由四个台子组成，总的试验能力达到200t，单台（b台、c台合并）可达140t，是世界上规模最大、试验能力最强的**模拟振动台组试验系统之一。该试验系统不仅能对大型桥梁工程、生命管线、水坝、隧道等线状结构进行振动试验研究，还能以矩形振动台组形式对高层建筑、超高层建筑、体育场馆等大型建筑结构进行抗震试验研究。
1) 多功能振动台试验系统的组成。
振动台组：a台（小台30t）、b台（主台70t）、c台（主台70t）、d台（小台30t）；
两条平行槽道：长槽道为70m、短槽道30m，可根据试件尺寸长度，调整振动台在槽道中的相应位置；“一字型”反力墙：“一字型”反力墙与振动台配合，可实现具有混合力的结构试验模型，反力墙宽24m，高10m，锚孔孔径为60mm，间距为600mm。
如图15.2-2所示。
图15.2-2 振动台试验系统示意图。
2) 振动台系统工作模式。
四个台子都可以在一条70m的槽道内移动，合成一大型线状振动台组，多台可同步一致工作，若干台可作关联运动；
两个台子可以移到另一条30m的槽道，四个台合成大型矩形振动台组，多台可同步一致工作，若干台可作关联运动；
两个主台（b、c台）拼成一大型振动台，作为单台振动台使用。
3) 振动台试验系统主要性能参数。
表15.2-1 振动台试验系统主要性能参数。
2) 静力及拟静力试验。
多功能振动台试验室静力及拟静力试验安排在地锚和反力墙试验区域，其规模和试验能力在世界范围内首屈一指。地锚和反力墙区域可为大比例结构模型乃至全尺寸结构模型的静力、拟静力以及拟动力试验提供加载平台。该区域主要有2000t支座动静电液伺服加载系统、“t型反力墙”、地锚、反力架、电液伺服作动器、300t电液伺服双通道结构试验机、50t万能试验机等功能设备。
1) 2000t支座动静电液伺服加载系统：
多功能振动台试验室配置有2000t支座动静电液伺服加载系统，主要用于对桥梁支座和桥梁减震、耗能装置等进行试验研究，同时也可以对结构构件进行动、静加载试验。该系统可实现载荷（力）控制、位移控制和应变（试件变形、外位移）控制等三种控制方式，并且在三种控制方式之间可以平滑转换；
三通道全数字电液伺服协调加载控制系统，能够实现不同通道之间的同步或异步加载；
系统配有数据采集系统，共有24个通道（可根据客户需要增加采集通道）；
试验过程可加载的波形：正弦波、三角波、梯形波、方波、直流、载荷谱、随机波、**波等，具有波形的发生、存储、输出功能，并可根据功率谱函数产生对应的随机波荷载；
试验过程能实现试件竖直方向的加载以及水平方向的剪切，其中竖向最大加载力为30000kn，竖向最大加载位移为400mm，竖直加载速度为》0.5mm/s,水平方向可实现最大加载力为2000kn，水平最大加载位移为1000mm；
该系统试件安装极限尺寸为高2.6m，宽1.7m，长2.5m，如图15.2-3所示。
图15.2-3 支座动静电液伺服加载系统。
2) “t型反力墙”
t型反力墙”长30m，高15m，具备顶部抗剪切能力600t和总体抗弯能力9000t·m的试验能力，锚孔孔径为60mm，间距为600mm，如图15.2-4所示。
图15.2-4 t型反力墙。
3) 地锚。
地锚区域长60m，宽15m，设计竖向承载能力为3mx 3m范围内150t，锚孔孔径为60mm，间距为600mm,可用于大比例桥梁模型及构件模型的静力试验、拟静力试验以及拟动力试验等。
4) 反力架。
地锚区设有2个反力架，极限高度分别为10m和15m，满足不同试件的试验要求。
5) 电液伺服作动器。
电液伺服作动器有150kn、500kn、1000kn、2000kn等不同规格，可对各种试件进行动、静加载试验，参数如表15.2-2所示。
15.2-2 电液伺服作动器参数。
电液伺服作动器如图15.2-5所示。
15.2-5 电液伺服作动器示意图。
6) 300t高刚度压力试验机。
300t高刚度压力试验机采用加载位移控制或加载速度控制，两种控制方式可以平滑转换，实现试件垂直方向和水平方向的加载试验，其中垂直最大加载3000kn，最大位移200mm，水平最大剪切±800kn，最大位移400mm，可实现加载正弦波、方波、三角波、斜波等各种波形，试验空间尺寸为（宽×长）750*1000mm，如图15.2-6所示。
图15.2-6 高刚度压力试验机示意。
7) 50t万能材料/结构试验机。
50t万能材料/结构试验机可采用荷载控制、位移（变形）控制、力保持、位移保持等方式进行控制，试验过程中可实现不同控制方式的平滑过渡；最大试验力（拉力、压力）为500kn；油缸最大位移250mm；横梁可上下移动，上下极限空间1000mm；配有各式夹头，可对不同的试件进行拉伸或压缩试验，如图15.2-7所示。
图15.2-7 50t万能材料/结构试验机。
8) 龙门吊车。
多功能振动台试验室配有两部龙门吊车，最大起重为50t和32t，如图15.2-8所示。
图15.2-8 龙门吊车示意。
15.3 带窄外环板钢梁-钢管混凝土试验。
15.3.1 试验目的及测试内容。
由于受钢管混凝土柱管壁厚度和柱边距的限制，外框钢梁与柱的连接采用窄外环板的方式，且外环板与柱管壁间的焊缝不能全熔透，此连接节点为非常规接头，本试验用于验证其可靠性。
测试内容：梁端的极限承载能力，相关部位的应力和变形。
15.3.2 试件制作。
根据试验室的试验能力，可以采用原型试件进行试验。几何和材料比例为1：1，如图15.3-1所示。
图15.3-1 带窄外环板钢梁-钢管混凝土试验节点示意。
15.3.3 加载方式。
柱顶维持1000kn轴力，梁端分别进行弯剪往复加载，直至试件破坏。
15.3.4 加载工装。
试件立柱梁端需焊接与试验机连接的钢板，连接孔如图15.3-2所示所示。
图15.3-2 立柱梁端与试验机连接钢板连接孔示意。
悬臂梁梁端需焊接与竖向作动器连接的钢板，连接孔如图15.3-3所示。
图15.3-3 悬臂梁端与竖向作动器连接钢板连接孔示意。
15.3.5 有限元模拟分析结果。
模型边界条件为钢管混凝土下表面完全固结，上表面水平位移受约束。竖向力1000kn，加于柱顶，在两悬臂梁端面上施加反向竖向力，通过结果发现竖向力达到600kn时，试件最大应力达到q345钢材抗拉（压）强度的设计值。模型如图15.
3-4所示。
图15.3-4 试验节点模型示意。
试验结果应力分析图如15.3-5所示。
图15.3-5 应力结果。
钢构件的最大应力出现在h型钢连接处的顶部和下部，分别为300.85mpa和 -298.78mpa，大于q345钢材抗拉（压）强度的设计值。
此外，应力相对较大的还有悬臂梁根部与钢管的相交处，钢管应力较大，但都处于安全范围，如图15.3-6所示。
图15.3-6 悬臂梁根部与钢管的相交处应力值。
此时，挠度分析结果如图15.3-7所示。
图15.3-7 挠度分析结果。
由蓝色到红色，挠度逐渐变大。长悬臂端的挠度约为10mm，短悬臂端的挠度约为3mm。
15.3.6 测试位置和方式。
在悬臂梁端部、根部、钢管与悬臂梁相连处环向布置应变片，在悬臂梁端部布置竖向位移计。
15.3.7 结论。
研究发现当悬臂梁端部竖向力达到600kn时，试件最大应力发生在h型钢连接处的顶部和下部，达到q345钢材抗拉（压）强度的设计值。长悬臂端的挠度约为10mm，短悬臂端的挠度约为3mm，满足设计要求。
15.4 钢管混凝土柱交叉节点试验。
15.4.1 试验目的及测试内容。
钢管混凝土倾斜柱与边柱交叉处，二者合成一个异形的组合柱，本试验用于验证双圆柱与组合柱的过渡段构造的传力可靠性。
15.4.2 试件制作。
由于试件整体过高、加载吨位过大，我试验室建议采用1：3比例的模型进行模拟加载，如设计允许，可自上向下再分成2～3个节段，分别加载，节点示意如图15.4-1所示。
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