大型鑄鋼節(jié)點(diǎn)加載試驗(yàn)研究

錢利鋒 周益君 關(guān)富玲

(1.浙江綠城六和建筑設(shè)計(jì)有限公司，浙江杭州 310027;2.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江杭州 310058)

0 引言

對(duì)于鑄鋼節(jié)點(diǎn)國內(nèi)目前沒有成熟的設(shè)計(jì)方法，對(duì)此類節(jié)點(diǎn)主要進(jìn)行荷載試驗(yàn)來檢驗(yàn)其受力性能［1，2］。但一般試驗(yàn)只能測(cè)量到節(jié)點(diǎn)外表面的應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部應(yīng)力狀況無法測(cè)試，需要通過鑄鋼節(jié)點(diǎn)表面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和有限元分析比較，相互印證，以有限元分析的結(jié)果來推斷整個(gè)鑄鋼節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的應(yīng)力狀況。例如上海南站無柱雨棚鑄鋼節(jié)點(diǎn)［3］、南京奧體中心體育場(chǎng)鋼屋蓋主拱鑄鋼節(jié)點(diǎn)［4］、蘇州博物館多桿相交鑄鋼節(jié)點(diǎn)［5］等典型的工程均運(yùn)用試驗(yàn)研究和理論分析相結(jié)合的方法來測(cè)試節(jié)點(diǎn)的受力性能、加工工藝和承載能力。

位于富春江邊上的桐廬勵(lì)駿酒店是超五星級(jí)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)形式為鋼框架，建筑高度138 m(見圖1)。入口大堂存在巨大懸挑達(dá)30 m(見圖2)，支撐懸挑部分的節(jié)點(diǎn)采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)。鑄鋼節(jié)點(diǎn)體型巨大，受力復(fù)雜，又處于至關(guān)重要的位置，其可靠性直接影響結(jié)構(gòu)的安全。

現(xiàn)選取其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)分析，對(duì)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力等效，簡化為軸向加載方式，通過試驗(yàn)結(jié)果和理論分析結(jié)果比較，準(zhǔn)確了解該鑄鋼節(jié)點(diǎn)的承載性能。

圖1 桐廬勵(lì)駿酒店

圖2 入口大堂懸挑結(jié)構(gòu)

1 節(jié)點(diǎn)描述及等效方案

試驗(yàn)選取編號(hào)為ZG-55的鑄鋼件進(jìn)行靜力荷載試驗(yàn)，節(jié)點(diǎn)材料為德標(biāo)低合金鑄鋼G20Mn5，自重10.224 t，節(jié)點(diǎn)的幾何尺寸見表1，三維模型見圖3。

表1 ZG-55幾何尺寸 mm

節(jié)點(diǎn)處于懸挑部位，桿件受力復(fù)雜，承受軸力和剪力的同時(shí)，彎矩不容忽視，試驗(yàn)中若想完全真實(shí)地模擬實(shí)際受力，存在一定的困難。為簡化加載方案，使試驗(yàn)操作切實(shí)可行，并達(dá)到檢測(cè)鑄鋼件加工工藝和節(jié)點(diǎn)受荷性能預(yù)測(cè)的目的，現(xiàn)提出新的加載方案，此方案已得到中建上海設(shè)計(jì)方的同意。

圖3 ZG-55幾何示意圖

取鑄鋼節(jié)點(diǎn)分支端口最薄弱的截面為計(jì)算對(duì)象，此時(shí)計(jì)算的應(yīng)力是最不利情況。將彎矩、剪力、軸力產(chǎn)生的總應(yīng)力通過等效折算成軸力，再利用平衡原理對(duì)受力進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。最終等效結(jié)果見表2。

表2 ZG-55等效后荷載

通過ANSYS分析節(jié)點(diǎn)實(shí)際加載與等效加載，對(duì)測(cè)點(diǎn)的第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力進(jìn)行比較(見圖4)。由于根據(jù)最不利處應(yīng)力等效，等效后荷載產(chǎn)生的主應(yīng)力大于或接近于原荷載產(chǎn)生的主應(yīng)力，但兩者應(yīng)力在大致趨勢(shì)上是符合的，等效后荷載能夠模擬實(shí)際荷載進(jìn)行試驗(yàn)分析。

2 試驗(yàn)加載

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)ANSYS有限元分析結(jié)果，應(yīng)變花主要粘貼在桿件根部，此處不同桿件的應(yīng)力相互作用，受力復(fù)雜。對(duì)于桿件1，5所受的力較大，應(yīng)加密應(yīng)變花的布置。共在鑄鋼節(jié)點(diǎn)上布置60個(gè)應(yīng)變花(180個(gè)測(cè)點(diǎn))，如圖5所示。量測(cè)出應(yīng)變花三個(gè)方向的應(yīng)變，求算出主應(yīng)力的大小和方向。

圖4 實(shí)際加載與等效加載ANSYS分析比較

圖5 測(cè)點(diǎn)布置

2.2 加載方案

將節(jié)點(diǎn)安裝固定在反力架上，反力架如圖6所示，設(shè)計(jì)荷載為600 t，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 反力架

固定桿件1，2，根據(jù)力平衡原理，這兩個(gè)桿件在加載時(shí)可以被動(dòng)受力。通過連接帽實(shí)現(xiàn)千斤頂或反力架與桿件的連接，避免各個(gè)節(jié)點(diǎn)在端面坡口處應(yīng)力集中而破壞。在連接帽端板中通過錨具夾片穿出，滿足強(qiáng)度要求的鋼絞線進(jìn)行受拉桿件的加載，然后使鋼絞線穿過反力架的節(jié)點(diǎn)，在反力架節(jié)點(diǎn)的對(duì)面安裝穿心千斤頂施加拉力，反力也作用在反力架上，這樣反力架也滿足力的自平衡。連接帽與節(jié)點(diǎn)端頭連接如圖7所示，千斤頂與反力架的連接如圖8，圖9所示。

試驗(yàn)采用5級(jí)加載，3級(jí)卸載，每級(jí)加載都使節(jié)點(diǎn)受力平衡。加載過程中，控制各桿件的同步加載是試驗(yàn)實(shí)施的重點(diǎn)。施加的桿端力是通過千斤頂油壓進(jìn)行控制。每次加載至預(yù)定荷載等級(jí)并穩(wěn)定2 min后利用DH3815N靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。

圖7 連接帽與節(jié)點(diǎn)端頭相連圖

圖8 受壓千斤頂油缸連接形式

圖9 穿心千斤頂油缸連接形式

3 數(shù)值分析

通過ANSYS軟件對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行理論分析，采用三維實(shí)體單元(Solid95)，模型在各桿件相連應(yīng)力復(fù)雜處細(xì)分網(wǎng)格，以獲得足夠高的計(jì)算精度。有限元分析時(shí)模擬試驗(yàn)中的加載和約束情況，分析得到節(jié)點(diǎn)變形云圖以及在試驗(yàn)荷載下的第一、三主應(yīng)力的應(yīng)力分布云圖見圖10。

圖10 應(yīng)力云圖

4 試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果的比較分析

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得每個(gè)位置應(yīng)變，得到該點(diǎn)的第一、三主應(yīng)力，并與ANSYS分析結(jié)果進(jìn)行比較。比較曲線見圖11。

圖11 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與ANSYS數(shù)據(jù)比較

通過比較節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論結(jié)果可以看出，兩者的數(shù)值變化趨勢(shì)是比較吻合的。理論分析得到在桿件3根部第一主應(yīng)力值較大，相對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)10～13測(cè)得的數(shù)值較大，最大達(dá)到81.27 MPa。理論分析可得節(jié)點(diǎn)的第三主應(yīng)力較小且較均勻，其中桿件5施加的壓力達(dá)3 932 kN，相對(duì)應(yīng)的第三主應(yīng)力值較其他桿件大，其上的測(cè)點(diǎn)42～53數(shù)值上較其他測(cè)點(diǎn)大，最大的值為－77.68 MPa。說明試驗(yàn)?zāi)軌蛘鎸?shí)地反映ZG-55各個(gè)桿件的受力情況。

5 結(jié)語

1)對(duì)受力復(fù)雜的鑄鋼節(jié)點(diǎn)，試驗(yàn)中無法真實(shí)施加實(shí)際荷載，可通過等效應(yīng)力的方法簡化加載方案，以達(dá)到試驗(yàn)的目的。

2)對(duì)于節(jié)點(diǎn)的加載，采用固定某幾根桿件，然后對(duì)另外幾根桿件施加主動(dòng)力的做法在很大程度上減少試驗(yàn)的誤差，避免油缸不能同時(shí)操作的缺點(diǎn)，提高試驗(yàn)的精確性。

3)數(shù)據(jù)的采集和分析均采用比較先進(jìn)的軟件進(jìn)行，保證了數(shù)據(jù)的可靠性與準(zhǔn)確性。試驗(yàn)與理論結(jié)果比較吻合，鑄鋼節(jié)點(diǎn)加工性能良好。

4)試驗(yàn)過程中，鑄鋼節(jié)點(diǎn)沒出現(xiàn)破損和局部破壞，在試驗(yàn)狀態(tài)下，理論模擬可以預(yù)測(cè)實(shí)際的工作狀況。

［1］戴國欣，李萬偉，刑世建，等.重慶江北國際機(jī)場(chǎng)新航站樓大跨鋼桁架鑄鋼節(jié)點(diǎn)性能研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2005，26(4)：70-75.

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［3］羅永峰，康 杰，王人鵬.上海南站無柱雨棚鑄鋼節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2006，5(21)：7-10.

［4］鄒連海，吳 京，李 龍.南京奧體中心體育場(chǎng)鋼屋蓋主拱鑄鋼節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)方案研究［J］.江蘇建筑，2005(1)：14-16.

［5］舒贛平，梁元瑋，戴雅萍.蘇州博物館多桿相交鑄鋼節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究與理論分析［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2007，12(22)：1-5.