鑄鋼節(jié)點(diǎn)受力性能的試驗(yàn)研究

周宇航 王 雪

中車齊齊哈爾車輛有限公司

鑄鋼節(jié)點(diǎn)受力性能的試驗(yàn)研究

周宇航 王 雪

中車齊齊哈爾車輛有限公司

近幾年來，新型結(jié)構(gòu)體系不斷出現(xiàn)，使結(jié)構(gòu)中構(gòu)件與構(gòu)件之間節(jié)點(diǎn)的連接方式日趨復(fù)雜，傳統(tǒng)的焊接球節(jié)點(diǎn)、鋼管相貫節(jié)點(diǎn)等各種節(jié)點(diǎn)形式已不能適應(yīng)現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展。隨著鑄造工藝的提高，鑄鋼節(jié)點(diǎn)以其合理性與實(shí)用性越來越受到工程界的關(guān)注。在國(guó)外，特別是日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，鑄鋼節(jié)點(diǎn)已得到了非常普遍的采用；國(guó)內(nèi)鑄鋼件的應(yīng)用剛剛興起，近幾年來，在一些鐵路貨運(yùn)車輛當(dāng)中的應(yīng)用對(duì)受力復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)采用了鑄鋼節(jié)點(diǎn)并取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。因此本文主要就對(duì)鑄鋼節(jié)點(diǎn)受力性能的試驗(yàn)進(jìn)行分析和探討。

鑄鋼節(jié)點(diǎn)；受力性能；試驗(yàn)

1 試件設(shè)計(jì)

為了滿足試驗(yàn)加載條件的要求，需對(duì)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)接長(zhǎng)段與封頭板，并在接長(zhǎng)管內(nèi)配置十字加勁肋。接長(zhǎng)段主要根據(jù)加載框架與千斤頂尺寸設(shè)計(jì)；封頭板的設(shè)計(jì)需考慮相應(yīng)鋼管的直徑與加載大小，保證節(jié)點(diǎn)在加載過程中不會(huì)因桿端局部集中受力而首先發(fā)生破壞。為了使試驗(yàn)更接近實(shí)際要求，節(jié)點(diǎn)在鑄造廠內(nèi)澆鑄完畢后，在使用中進(jìn)行接長(zhǎng)段與封頭板的焊接。

2 試件的材性

節(jié)點(diǎn)的受力與變形特點(diǎn)取決于鑄鋼材質(zhì)的力學(xué)性能。材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量和伸長(zhǎng)率等機(jī)械性能指標(biāo)是節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。由于本文試驗(yàn)的鑄鋼節(jié)點(diǎn)始終在彈性范圍內(nèi)工作，鑄鋼為理想彈塑性材料，根據(jù)鑄鋼件制造廠家提供的數(shù)據(jù)取材料的彈性模量為2.06×105MPa，波松比為0.3，屈服強(qiáng)度為230MPa。

3 試驗(yàn)加載裝置

為了保證試驗(yàn)工作的正常進(jìn)行，在最大試驗(yàn)荷載作用下試驗(yàn)加載裝置必需滿足剛度與強(qiáng)度要求，保證有足夠的安全儲(chǔ)備。本次試驗(yàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)G1和G2施加軸向力壓力，G3和G4施加水平拉壓力，加載方向不太復(fù)雜，G1和G2加載數(shù)值較大，且要滿足G3和G4反復(fù)加載的要求。經(jīng)過分析和對(duì)比，豎向加載裝置采用兩個(gè)120噸加載框架，兩個(gè)加載框架通過加載梁向鑄鋼節(jié)點(diǎn)提供豎向荷載，千斤頂要垂直桿件封頭板，壓力千斤頂加力大小由壓力表讀取，水平加載裝置采用剪力墻提供水平拉壓力，試驗(yàn)證明，加載框架滿足了較大豎向荷載，水平拉壓荷載加載的需要。

試驗(yàn)時(shí)，首先通過反力架和豎直千斤頂對(duì)節(jié)點(diǎn)施加豎向荷載，豎向荷載通過油泵上的油壓表直接讀取數(shù)值；水平荷載由固定在反力墻上的水平千斤頂施加，加力大小由油壓傳感器讀取，通過油泵人為控制。

4 試驗(yàn)加載方式

試驗(yàn)時(shí)，將G1桿件垂直于試驗(yàn)臺(tái)座，通過接長(zhǎng)管封頭板上的預(yù)留螺栓孔用錨桿將試件錨固在試驗(yàn)臺(tái)座上，對(duì)G1桿件的加載由試驗(yàn)臺(tái)座反力提供；對(duì)G2接長(zhǎng)管的加載是通過壓力千斤頂施加，在壓力千斤頂頂部設(shè)置加載梁，加載梁將千斤頂反力傳到兩榀豎向加載框架，加載框架將力傳到試驗(yàn)臺(tái)座；對(duì)G3和G4接長(zhǎng)管的加載是通過與法蘭連接件連接的拉壓千斤頂施加，拉壓千斤頂?shù)暮奢d通過錨固于反力墻的梁傳到強(qiáng)度和剛度較大的反力墻。

5 應(yīng)變測(cè)試方案

5.1 測(cè)試方法

本次試驗(yàn)采用電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)試法，為了了解鑄鋼節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布規(guī)律，應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的布置是根據(jù)有限元分析的結(jié)果進(jìn)行的，測(cè)點(diǎn)的布置力求做到覆蓋節(jié)點(diǎn)表面上應(yīng)力較大的測(cè)點(diǎn)，并能大致了解節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布規(guī)律及變化趨勢(shì)。從理論分析結(jié)果看，鑄鋼節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力不利位置均在管腳附近，遠(yuǎn)離匯交區(qū)域的應(yīng)力整體水平較低?；谝陨显?，應(yīng)變測(cè)點(diǎn)在管腳附近應(yīng)布置較多，其他區(qū)域相應(yīng)減少，同時(shí)為了確保各級(jí)施加荷載與設(shè)計(jì)荷載相符，每根桿件的接長(zhǎng)端上布置一定數(shù)量的校核測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)數(shù)目根據(jù)管徑大小合理布置。

5.2 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

由于管身主要承受軸向應(yīng)力，采用單軸應(yīng)變片測(cè)試；靠近管腳(距管腳0.05m)和遠(yuǎn)離管腳(距管端0.05m)處各布置4個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。管管匯交的周圍區(qū)域，應(yīng)力狀態(tài)比較復(fù)雜，主應(yīng)力方向未知，因此在此處布置應(yīng)變花測(cè)試測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變大小，其應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置以各管件軸線為中心呈同心圓分布，管腳圓周及其同心圓周上各布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)。另外，主管上布置了5排測(cè)點(diǎn)，由于主管上測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，采用應(yīng)變花測(cè)試。在接長(zhǎng)管上沿圓周布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用單軸應(yīng)變片測(cè)試。

5.3 電阻應(yīng)變片的選取

電阻應(yīng)變片的種類很多，試驗(yàn)應(yīng)變片的選取主要考慮應(yīng)變片的特點(diǎn)、試驗(yàn)技術(shù)要求、試驗(yàn)類型及試驗(yàn)環(huán)境。本文試驗(yàn)考慮到箔式應(yīng)變片絕緣度高、耐疲勞性能好、橫向效應(yīng)小等特點(diǎn)，所有測(cè)點(diǎn)均采用箔式應(yīng)變片。

6 試驗(yàn)結(jié)果與結(jié)果分析

6.1 試驗(yàn)荷載校核

在試驗(yàn)過程中，桿件所受豎向力由油壓表控制，水平力由兩個(gè)油泵施加，人為控制油泵，荷載大小由油壓傳感器讀取?；谏鲜鲈?，鑄鋼節(jié)點(diǎn)各桿件荷載的施加在時(shí)間上必然存在不同步性。除此之外，桿件之間荷載的施加相互影響，對(duì)某根桿件施加荷載時(shí)，其它桿件的受力也會(huì)發(fā)生變化，因此很難保證各桿件實(shí)際施加的荷載與設(shè)計(jì)試驗(yàn)荷載完全相符。通過分析，在兩種工況下各管試驗(yàn)實(shí)際施加荷載值與試驗(yàn)設(shè)計(jì)荷載值之間差距很小，誤差均不超過1%，因此認(rèn)為試驗(yàn)時(shí)所施加的荷載完全滿足試驗(yàn)要求。

6.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

為得到節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)測(cè)試的應(yīng)力分布情況，從鑄鋼節(jié)點(diǎn)的各個(gè)桿件上選取一定數(shù)量的測(cè)點(diǎn)，分析鑄鋼節(jié)點(diǎn)各區(qū)域的應(yīng)力變化趨勢(shì)。下面分析工況一反復(fù)荷載作用下的測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化，工況一下G3、G4各個(gè)荷載步拉壓狀態(tài)相同，先施加拉力荷載，然后卸載，再反向施加壓力荷載，再卸載，然后重復(fù)兩次以上加載步驟。

由整理的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和以上分析可知，試驗(yàn)測(cè)試的鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布呈現(xiàn)區(qū)域性特點(diǎn)，即鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn)管管倒角處應(yīng)力較大，有明顯的應(yīng)力集中，其余區(qū)域應(yīng)力值較小。

節(jié)點(diǎn)在工況一G3和G4均為拉力最大荷載時(shí)，整體應(yīng)力水平較大，實(shí)測(cè)各桿件應(yīng)力均不超過174MPa；節(jié)點(diǎn)在工況一G3和G4均為壓力最大荷載時(shí)，整體應(yīng)力水平較大，實(shí)測(cè)各桿件應(yīng)力均不超過152MPa。

節(jié)點(diǎn)在工況二G4達(dá)到拉力最大荷載時(shí)，整體應(yīng)力水平較小，實(shí)測(cè)各桿件應(yīng)力均不超過128MPa；節(jié)點(diǎn)在工況二G4達(dá)到壓力最大荷載時(shí)，整體應(yīng)力水平較小，實(shí)測(cè)各桿件應(yīng)力均不超過109MPa。

節(jié)點(diǎn)在兩個(gè)工況試驗(yàn)荷載作用下，實(shí)測(cè)應(yīng)力最大值為174MPa，位于節(jié)點(diǎn)與G1接長(zhǎng)管的焊縫處，沒有超過230MPa，說明結(jié)點(diǎn)一直在彈性范圍內(nèi)工作，沒有發(fā)生材料的屈服。

結(jié)論

節(jié)點(diǎn)在兩個(gè)工況下應(yīng)力值的較大位置均出現(xiàn)在G1和G2與接長(zhǎng)管的焊縫附近位置，而在節(jié)點(diǎn)的其它位置應(yīng)力值較小，說明節(jié)點(diǎn)G1和G2接長(zhǎng)管的位置為節(jié)點(diǎn)的薄弱環(huán)節(jié)，可以通過改善改處的受力性能而來提高鑄鋼節(jié)點(diǎn)的承載能力。