端部非鐓粗高強(qiáng)度鋼拉桿節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

黃山，李超群，王煒萍，張杰，余佳遠(yuǎn)

（1.中天建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310008；2.浙江中天恒筑鋼構(gòu)有限公司，浙江 杭州 310008）

0 引言

核心筒-鋼桁架-懸掛結(jié)構(gòu)是以內(nèi)部核心筒為豎向承重結(jié)構(gòu)，頂部鋼桁架作為水平轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，樓面結(jié)構(gòu)通過高強(qiáng)度鋼拉桿懸掛于頂部鋼桁架結(jié)構(gòu)上而形成的一種新型結(jié)構(gòu)體系[1]。該結(jié)構(gòu)體系采用的高強(qiáng)度鋼拉桿抗拉強(qiáng)度大，構(gòu)件截面面積小，有效降低整體結(jié)構(gòu)自重的同時(shí)易于滿足建筑功能要求，并增加了建筑實(shí)際使用面積，其綜合效益高，所以近年來核心筒-鋼桁架-懸掛結(jié)構(gòu)越來越多地被使用于實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中。

但設(shè)計(jì)階段，通常要求鋼拉桿桿體與連接節(jié)點(diǎn)等強(qiáng)，故其端部往往要求采用局部鍛造鐓粗后進(jìn)行螺紋加工。其中，梁秀春提出了一種鐓粗大高徑比鍛件方法對(duì)棒料進(jìn)行局部頭部鐓粗[2]；陳衛(wèi)銘采用了多道次鐓粗方式對(duì)棒料進(jìn)行了局部成形[3]；陳孝學(xué)等使用了棒料連續(xù)鐓粗的成形工藝[4]，而鐓粗過程中的鍛造比、鐓粗長(zhǎng)徑比、始終鍛溫度、加熱時(shí)間、鐓粗次數(shù)等[5]工藝參數(shù)的控制難度大，加工步驟多，最終造成鋼拉桿制作成本高企且端部成型質(zhì)量不易保證。本文通過對(duì)高強(qiáng)度鋼拉桿端部節(jié)點(diǎn)理論計(jì)算分析并在此基礎(chǔ)上加以試驗(yàn)驗(yàn)證，最終得到端部非鐓粗鋼拉桿完全能滿足設(shè)計(jì)要求，降低了工程造價(jià)，節(jié)約了制作工期。

1 工程概況

某工程由A、B、C 三幢高層建筑構(gòu)成且均采用核心筒-鋼桁架-懸掛結(jié)構(gòu)受力體系，具體傳力路徑較為明確：樓層鋼梁—鋼拉桿—頂部鋼桁架—核心筒—基礎(chǔ)。該三幢高層建筑主體結(jié)構(gòu)頂標(biāo)高均為57.00m，地下3 層，地上13 層，其中，B3～L4層為框架混凝土結(jié)構(gòu)，部分梁柱為組合結(jié)構(gòu)，內(nèi)置勁性梁和勁性柱；L5～L13 層為鋼結(jié)構(gòu)，其豎向受力構(gòu)件為高強(qiáng)度鋼拉桿，標(biāo)準(zhǔn)層層高4.2m；頂部桁架層為雙向設(shè)置的轉(zhuǎn)換桁架，其中部穿過混凝土核心筒，外圈懸挑端與高強(qiáng)度鋼拉桿相連。具體結(jié)構(gòu)效果如圖1 所示。

圖1 效果圖

本工程鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)均為Q355B（鋼拉桿除外），其中核心筒勁性梁以及勁性柱的規(guī)格為：H 200×200×20×20～H 400×200×30×30；外框鋼梁規(guī)格為：H 400×150×8×10～H 700×300×14×25、口 300×450×20×20～口 400×450×30×30。外框豎向受力構(gòu)件采用的高強(qiáng)度鋼拉桿具體型號(hào)為ZL 型[6]，直徑為120mm，其中L12層～L13層的鋼拉桿材質(zhì)等級(jí)為835級(jí)，其余位置處均采用650 級(jí)，套筒材質(zhì)等級(jí)與鋼拉桿材質(zhì)相適應(yīng)。外框鋼梁通過外環(huán)板節(jié)點(diǎn)支撐于支撐套筒上，支撐套筒與調(diào)節(jié)套筒通過螺紋連接，調(diào)節(jié)套筒與高強(qiáng)度鋼拉桿通過螺紋連接，具體組裝圖如圖2 所示。

圖2 鋼拉桿組裝圖

2 端部非等強(qiáng)鋼拉桿螺紋設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，835 級(jí)鋼拉桿的設(shè)計(jì)承載力不得低于8 500kN，而由鋼拉桿組裝圖可知，鋼拉桿各部件通過螺紋進(jìn)行連接，故其承載力取決于桿體本身強(qiáng)度以及螺紋連接強(qiáng)度[7]。由于本工程高強(qiáng)度鋼拉桿采用端部非鐓粗工藝，桿體本身螺紋處的有效直徑較桿體中部有一定削弱，最終鋼拉桿承載力取決于端部有效截面的應(yīng)力大小、桿體螺紋以及調(diào)節(jié)套筒的連接強(qiáng)度。

2.1 鋼拉桿有效截面處的應(yīng)力

鋼拉桿直徑為120mm，對(duì)應(yīng)螺紋規(guī)格為M118X6 普通螺紋，螺距6mm。螺紋根部的有效工作直徑為：

鋼拉桿螺紋處有效截面面積為：

鋼拉桿有效截面處的應(yīng)力大?。?/p>

其中P為螺紋螺距，d為螺紋外徑，[σ]為許用正應(yīng)力，F(xiàn)為設(shè)計(jì)承載力。將具體數(shù)值代入可得鋼拉桿有效截面處的應(yīng)力為803.3MPa≤[σ]。

2.2 調(diào)節(jié)套筒有效截面處的應(yīng)力

調(diào)節(jié)套筒外徑200mm，最大內(nèi)徑130mm，外徑螺紋規(guī)格為M195X8，如圖3 所示。調(diào)節(jié)套筒的有效外徑為：

圖3 調(diào)節(jié)套筒組裝圖

套筒最不利處有效截面面積為：

套筒最不利處有效截面應(yīng)力大?。?/p>

其中P為螺紋螺距，d為螺紋外徑，d'為調(diào)節(jié)套筒內(nèi)徑，[σ]為許用正應(yīng)力，F(xiàn)為設(shè)計(jì)承載力。將具體數(shù)值代入可得調(diào)節(jié)套筒有效截面處的應(yīng)力593.1MPa≤[σ]。

2.3 螺紋旋合圈數(shù)

（1）擠壓強(qiáng)度校核：在鋼拉桿軸向力作用下，桿體螺紋與調(diào)節(jié)套筒螺紋受到擠壓。將一圈螺紋沿螺紋底徑展開，螺紋可視為寬度為πD的懸臂梁[7]，具體如圖4 所示。螺紋中徑：

圖4 螺紋展開圖

普通螺紋工作高度：

根據(jù)螺紋的許用擠壓應(yīng)力得到螺紋旋合圈數(shù)為：

（2）抗剪強(qiáng)度校核：螺紋懸臂梁的危險(xiǎn)截面位于A—A 處，螺紋根部寬度：

根據(jù)螺紋的剪切應(yīng)力得到螺紋的旋合圈數(shù)為：

（3）抗彎強(qiáng)度校核：螺紋懸臂梁的抗彎危險(xiǎn)截面位于A—A 處，根據(jù)螺紋的彎曲應(yīng)力得到螺紋的旋合圈數(shù)為：

綜合以上計(jì)算結(jié)果，得到螺紋旋合圈數(shù)應(yīng)取大值，其中P為螺紋螺距，D為螺紋大徑，D1為螺紋小徑，[ ]為許用正應(yīng)力，[τ]為許用剪應(yīng)力，F(xiàn)為設(shè)計(jì)承載力。將具體數(shù)值代入可得螺紋牙不發(fā)生剪切破壞時(shí)的最少旋合扣數(shù)為18，不發(fā)生彎曲破壞時(shí)的最少旋合數(shù)為19。由調(diào)節(jié)套筒組裝圖3，鋼拉桿旋合長(zhǎng)度為180mm，螺距P=6mm，實(shí)際旋合圈數(shù)30 圈，滿足要求[8-9]。

2.4 支撐套筒應(yīng)力驗(yàn)算

支撐套筒外徑250mm，最大內(nèi)徑190m，內(nèi)螺紋規(guī)格為M195×8。支撐套筒的有效面積大于調(diào)節(jié)套筒的有效面積，故此處不再對(duì)其進(jìn)行理論計(jì)算。

3 有限元分析

考慮ABAQUS 的接觸問題分析功能和非線性功能卓越。本文采用大型通用有限元分析軟件ABAQUS 對(duì)鋼拉桿端部節(jié)點(diǎn)按實(shí)際1：1 足尺建立有限元模型進(jìn)行分析計(jì)算。桿體組裝完畢后，均速加載至6 000kN，力-位置曲線處于比例彈性階段，測(cè)得彈性模量為2.33×105Mpa。

3.1 材料本構(gòu)關(guān)系

鋼拉桿、調(diào)節(jié)套筒、支撐套筒的本構(gòu)關(guān)系取為二折線模型，為理想彈塑性。其中彈性模量根據(jù)鋼拉桿的拉伸試驗(yàn)結(jié)果，取為2.33×105N/mm2，如圖5 所示。泊松比為0.30，密度取為7 850kg/m3，材料的屈服強(qiáng)度取為835Mpa。

圖5 鋼拉桿彈性模量試驗(yàn)結(jié)果

3.2 有限元模型

有限元建模時(shí)，僅將上部鋼拉桿、調(diào)節(jié)套筒、支撐套筒建入模型中，并將下部鋼拉桿略去以減少接觸的數(shù)量，計(jì)算分析時(shí)以力的作用直接作用于調(diào)節(jié)套筒的內(nèi)螺紋處。螺紋的計(jì)算分析通常采用做出螺紋實(shí)體后采用接觸分析，雖然得出的結(jié)果精確，但建模工作量大、接觸收斂困難。代替實(shí)體螺紋建模的操作為：在ABAQUS 接觸定義中設(shè)置跟螺紋形狀相關(guān)參數(shù)，如螺距、螺紋小徑等，摩擦系數(shù)取值為0.2，以此模擬真實(shí)的螺紋接觸情況，既節(jié)省了建模時(shí)間，又可以得到足夠精確的分析結(jié)果。具體有限元模型如圖6-9 所示。

圖6 鋼拉桿

圖8 支撐套筒

圖9 組裝模型

計(jì)算時(shí)，在上部高強(qiáng)度鋼拉桿端部施加完全固接約束，為精確模擬鋼拉桿端部節(jié)點(diǎn)的受力狀況，考慮頂層樓面荷載通過支撐套筒上表面，其余荷載通過調(diào)節(jié)套筒作用于其內(nèi)螺紋，其中支撐套筒上表面所受荷載為1 000kN，下端鋼拉桿軸力為7 500kN，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的支撐套筒上表面荷載以及調(diào)節(jié)套筒內(nèi)螺紋面荷載分別為15.7N/mm2、82.1N/mm2。邊界以及荷載分布具體如圖10 所示。

圖10 荷載布置

網(wǎng)格單元類型選取六面體一階單元C3D8I，網(wǎng)格尺寸不得大于最小板件厚度的1/2，并在主要應(yīng)力集中部位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，模型有限元模型共有節(jié)點(diǎn)36 800 個(gè)，單元29 236 個(gè)，以提高分析精度。具體網(wǎng)格劃分如圖11 所示。計(jì)算屈服準(zhǔn)則采用Von Mises 屈服準(zhǔn)則。

圖11 網(wǎng)格劃分

3.3 計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可知，該鋼拉桿節(jié)點(diǎn)最大位移出現(xiàn)在調(diào)節(jié)套筒的最下端，大小為1.53mm，調(diào)節(jié)套筒的最大位移1.35mm，調(diào)節(jié)套筒的內(nèi)外螺紋的最大相對(duì)滑移量差為0.18mm，其中第一圈滑移距離最大，以后各圈依次降低，具體位移圖如圖12所示。

圖12 位移圖

整體節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)力出現(xiàn)在鋼拉桿的絲牙未旋入調(diào)節(jié)套筒處即上文所述的有效截面處，大小為661.1Mpa；支撐套筒以及調(diào)節(jié)套筒處的應(yīng)力最大值出現(xiàn)在調(diào)節(jié)套筒變階處，其主要原因?yàn)樘淄餐蝗蛔冸A導(dǎo)致的應(yīng)力集中，大小為444.5Mpa；套筒螺紋的最大應(yīng)力出現(xiàn)在端部旋合第一圈螺紋處，大小約為333Mpa，具體應(yīng)力分布如圖13 所示。

圖13 應(yīng)力圖

由《鑄鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[10]：

其中σ1、σ2、σ3為計(jì)算點(diǎn)第一、第二、第三主應(yīng)力，σzs為折算應(yīng)力，βf為折算應(yīng)力的強(qiáng)度值增大系數(shù)，γRE為承載力抗震調(diào)整系數(shù)。將具體數(shù)值代入，可得節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力處：σzs≤βf·f/γRE=918.5MPa，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)按要求。

4 鋼拉桿試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方案

鋼拉桿拉伸實(shí)驗(yàn)采用4 000t 臥式拉力試驗(yàn)機(jī)，其總長(zhǎng)為7m，內(nèi)部空間為3.5m。為保證試驗(yàn)階段鋼拉桿各組件、試驗(yàn)機(jī)受力安全，試驗(yàn)最大拉力荷載定為桿體（未削弱部分）的屈服設(shè)計(jì)荷載值9 439kN。調(diào)節(jié)套筒與支撐套筒固定于左側(cè)擋板處，中間采用調(diào)節(jié)套筒連接兩根高強(qiáng)度鋼拉桿，右側(cè)通過支撐螺母鎖緊于油缸側(cè)擋板，通過操作油壓操作臺(tái)使油缸對(duì)右側(cè)擋板產(chǎn)生推力，從而達(dá)到對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的拉伸目的，油缸與主結(jié)構(gòu)之間上裝有相應(yīng)的壓力傳感器，拉力顯示表上的數(shù)值即是試驗(yàn)中的實(shí)際拉力。具體實(shí)驗(yàn)組裝示意參見圖14。

圖14 組裝圖

4.2 試驗(yàn)過程

（1）將拉桿組件與實(shí)驗(yàn)工裝組裝完畢后放入實(shí)驗(yàn)機(jī)，并調(diào)整至相應(yīng)位置。

（2）安裝約束板，并將支撐筒一端固定在試驗(yàn)機(jī)約束板外側(cè)，另一端螺桿用螺母鎖緊。

（3）開啟實(shí)驗(yàn)設(shè)備，油缸頂升擋板，以不大于10Mpa/s 的速度加載，加載至10%的屈服荷載，消除配合間隙后，記錄“初始長(zhǎng)度”。

（4）然后繼續(xù)以不大于10Mpa/s 的速度加載，每加載至預(yù)設(shè)目標(biāo)值，記錄“實(shí)際拉力值”“實(shí)際長(zhǎng)度”并計(jì)算出位移。（5）根據(jù)以上記錄，繪制相應(yīng)的拉伸曲線。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

4.3.1 鋼拉桿承載力驗(yàn)證

試驗(yàn)過程中均速加載至9 439kN，鋼拉桿整體組裝件（含鋼拉桿、中部調(diào)節(jié)套筒、左側(cè)調(diào)節(jié)套筒、左側(cè)支撐套筒、右側(cè)支撐螺母）均未出現(xiàn)明顯的塑性變形及螺紋破壞，鋼拉桿桿體也未出現(xiàn)明顯的頸縮。測(cè)得的鋼拉桿力-位移曲線顯示亦未出現(xiàn)明顯的屈服臺(tái)階，具體結(jié)果如圖15 所示。

圖15 力-位移曲線

各組件測(cè)量未發(fā)現(xiàn)明顯變形，螺紋部位旋合正常，如圖16、17 所示。

圖16 各組件試驗(yàn)結(jié)果

圖17 鋼拉桿試驗(yàn)結(jié)果

4.3.2 鋼拉桿彈性模量驗(yàn)證

因各組件之間的螺紋配合必然存在著連接間隙，彈模計(jì)算時(shí)應(yīng)將相關(guān)螺紋間隙消除，由試驗(yàn)結(jié)果可知：當(dāng)拉伸力小于500kN 時(shí)，力-位移曲線呈現(xiàn)明顯的非線性關(guān)系，故根據(jù)力-位移曲線選定彈性直線段時(shí)，只需選定直線段起點(diǎn)拉伸力需大于等于500kN 即可保證結(jié)果的可靠性。然后在直線段上取相距盡量遠(yuǎn)的兩點(diǎn)之間的軸向力值增量和橫向?qū)?yīng)的位移增量，再計(jì)算彈性模量。本次試驗(yàn)中取彈性直線段的8 個(gè)記錄點(diǎn)，見表1。分四組根據(jù)公式得到彈性模量：E=(ΔF/S)/ (ΔL/L)，其中ΔF為力的增值，S為試樣截面，ΔL為位移增量，L為試驗(yàn)桿體長(zhǎng)度，計(jì)算所得的具體結(jié)果，見表2。

表1 記錄結(jié)果

表2 彈性模量計(jì)算結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可知，成品試驗(yàn)彈性模量較單根鋼拉桿測(cè)得的彈性模量具有一定的離散性，其均值的偏差約為14.2%，但張拉力越大越接近單根鋼拉桿的彈性模量。其原因可能為：成品試驗(yàn)彈性模量試驗(yàn)包含桿體、連接套筒、支承套筒、圓螺母、墊板等配件，上述配件通過四組螺紋副組合而成，每個(gè)配件的變形都對(duì)位移量有影響。

4.3.3 拉桿殘余變形及套筒變形

鋼拉桿各組件在勻速荷載作用下，加載至最大載荷9 439kN，而后勻速卸載直到試驗(yàn)荷載歸零，測(cè)得鋼拉桿殘余變形量為1.3mm 且未發(fā)現(xiàn)套筒結(jié)構(gòu)尺寸有明顯變化，具體結(jié)果如圖18 所示。

圖18 殘余變形圖

5 結(jié)論

（1）結(jié)合設(shè)計(jì)內(nèi)力，采用理論公式計(jì)算分析得到：鋼拉桿端部非鐓粗部位的有效截面處應(yīng)力大小滿足材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度指標(biāo)；鋼拉桿桿體螺紋規(guī)格為M118X6，調(diào)節(jié)套筒外徑螺紋規(guī)格為M195X8，且螺紋旋合圈數(shù)不小于19 圈時(shí)，螺紋擠壓、抗剪、抗彎均能滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

（2）對(duì)鋼拉桿、調(diào)節(jié)套筒、支撐套筒組成的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果顯示節(jié)點(diǎn)螺紋處應(yīng)力狀態(tài)處于彈性階段，應(yīng)力分布符合材料性質(zhì)、加載方式等有關(guān)因素，節(jié)點(diǎn)變形及各螺紋牙的相對(duì)滑移均滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）鋼拉桿整體組裝件在桿體屈服設(shè)計(jì)荷載值作用下，測(cè)得的力-位移曲線未出現(xiàn)屈服臺(tái)階，且各配件均未出現(xiàn)明顯的塑性變形及螺紋破壞，組裝件的殘余變形也僅為1.3mm。

以上計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)相互佐證對(duì)工程設(shè)計(jì)、施工具有實(shí)際指導(dǎo)意義。