[讨论]大型铸钢节点加载试验研究

发表于2019-06-30    935人浏览    0人跟帖    总热度:11  

        ( 1. 浙江绿城六和建筑设计有限公司,浙江 杭州 310027; 2. 浙江大学建筑工程学院,浙江 杭州 310058)
        摘 要: 为了准确了解大型铸钢节点的承载性能,对节点进行了加载试验研究,并进行了数值模拟分析,通过试验结果与有限元分析结果的对比,表明节点具有良好的加工性能,满足安全性要求。
        关键词: 铸钢节点,加载试验,有限元分析
        中图分类号: TU391 文献标识码: A
        0 引言
        对于铸钢节点国内目前没有成熟的设计方法,对此类节点主要进行荷载试验来检验其受力性能[1,2]。但一般试验只能测量到节点外表面的应力状态,对节点内部应力状况无法测试,需要通过铸钢节点表面现场测试和有限元分析比较,相互印证,以有限元分析的结果来推断整个铸钢节点内部的应力状况。例如上海南站无柱雨棚铸钢节点[3]、南京奥体中心体育场钢屋盖主拱铸钢节点[4]、苏州博物馆多杆相交铸钢节点[5]等典型的工程均运用试验研究和理论分析相结合的方法来测试节点的受力性能、加工工端弯矩和剪力,处于复合受力状态,内力传递机理较复杂,受很多因素如框架梁和框架柱类型、钢材的种类、节点连接的构造形式等的影响。由于当前研究的异型节点为特殊的“强梁弱柱”型节点,在研究过程中只分析了轴压比、梁高比对此类节点承载力的影响,对其他参数的影响和“强柱弱梁”型异型节点还没有进行研究,且试验试件梁、柱内大都采用 Q235 钢,不能适应梁柱采用多种钢材型号的需要。
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        3) 异型节点的空间性能和静力及动力性能研究较少: 从现有的试验资料来看,因试验条件限制,目前钢结构梁柱异型节点的试验仅为平面加载的拟静力试验。而拟静力试验无法真实的反映异型节点在地震作用下的受力特点及性能,一方面是由于平面加载无法对异型节点承载力在实际工程中受直交梁的约束作用进行试验分析和验证,另一方面因为目前异型节点的抗震试验只考虑单向地震作用,而实际的地震作用方向是多维的,故当前研究结论有待改进; 同时有关钢结构梁柱异型节点的静力力学性能的试验研究还没有。
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        4) 异型节点承载力的计算公式还有待于进一步改进和完善,提出既合理又简单的节点域承载力计算公式和构造措施对异型节点在框架结构中的运用具有重要的意义。研究表明异型节点的剪切变形很大,但上核心区和下核心区不是作为一个整体来工作,如何将异型节点剪切变形的影响考虑到钢框架抗震性能中也艺和承载能力。
        位于富春江边上的桐庐励骏酒店是超五星级设计,结构形式为钢框架,建筑高度 138 m( 见图 1) 。入口大堂存在巨大悬挑达 30 m( 见图 2) ,支撑悬挑部分的节点采用铸钢节点。铸钢节点体型巨大,受力复杂,又处于至关重要的位置,其可靠性直接影响结构的安全。
现选取其中一个节点进行试验分析,对节点应力等效,简化为轴向加载方式,通过试验结果和理论分析结果比较,准确了解该铸钢节点的承载性能。
需要做进一步的研究,与此同时提出含异型节点的钢框架结构在不同设计地震水平下的地震响应分析方法和设计方法也是需要解决的问题。
4 结语
钢框架梁柱异型节点的破坏主要由焊缝撕裂引起,因此焊缝质量显得尤为重要,同时合理的构造措施也是改善异型节点受力和耗能的重要设计内容。另外,积极开展相关的数值模拟和理论分析是十分必要的,试验中构件数量、研究的因子都有限,此时数值模拟分析可作为补充手段。
参考文献:
[1] 余海群,钱稼茹,颜 峰,等. 足尺钢梁柱刚性连接节点抗震性能试验研究[J]. 建筑结构学报,2006,27( 6) : 18-27.
[2] 王 燕,彭福明,赵桂明. 钢框架梁柱半刚性节点在循环荷载作用下的试验研究[J]. 工业建筑,2001,31( 12) : 55-57.
[3] 薛建阳,胡宗波,彭修宁,等. 钢结构箱型柱与梁异型节点抗剪承载力分析[J]. 土木工程学报,2011,44( 8) : 9-15.
[4] 彭修宁,薛建阳,刘祖强,等. 刚性钢框架异型节点性能及设计方法[J]. 土木建筑与环境工程,2010,32( 3) : 22-26.
[5] 薛建阳,刘祖强,彭修宁,等. 大型火电主厂房钢结构异型节点抗震性能试验研究[J]. 建筑结构学报,2011,32( 7) : 133-140.
      钢 G20Mn5,自重 10. 224 t,节点的几何尺寸见表 1,三维模型见图 3。
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表1 ZG-55几何尺寸 mm
        节点处于悬挑部位,杆件受力复杂,承受轴力和剪力的同时,弯矩不容忽视,试验中若想完全真实地模拟实际受力,存在一定的困难。为简化加载方案,使试验操作切实可行,并达到检测铸钢件加工工艺和节点受荷性能预测的目的,现提出新的加载方案,此方案已得到中建上海设计方的同意。
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图3 ZG-55几何示意图
        取铸钢节点分支端口最薄弱的截面为计算对象,此时计算的应力是最不利情况。将弯矩、剪力、轴力产生的总应力通过等效折算成轴力,再利用平衡原理对受力进行适当调整。最终等效结果见表 2。
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表2 ZG-55等效后荷载
        通过 ANSYS 分析节点实际加载与等效加载,对测点的第一主应力和第三主应力进行比较( 见图 4) 。由于根据最不利处应力等效,等效后荷载产生的主应力大于或接近于原荷载产生的主应力,但两者应力在大致趋势上是符合的,等效后荷载能够模拟实际荷载进行试验分析。
    2 试验加载 
    2. 1 测点布置
    根据 ANSYS 有限元分析结果,应变花主要粘贴在杆件根部,此处不同杆件的应力相互作用,受力复杂。对于杆件 1,5 所受的力较大,应加密应变花的布置。共在铸钢节点上布置 60 个应变花( 180 个测点) ,如图 5 所示。量测出应变花三个方向的应变,求算出主应力的大小和方向。
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 a) S1
A5
       b) S3
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b)1—1 c)                2—2d)
图4 实际加载与等效加载ANSYS分析比较
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图5 测点布置

   2. 2 加载方案

    将节点安装固定在反力架上,反力架如图 6 所示,设计荷载为 600 t,满足设计要求。
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图6  反力架
    固定杆件 1,2,根据力平衡(图6)原,理这(反力架)两个杆件在加载时可以被动受力。通过连接帽实现千斤顶或反力架与杆件的连接,避免各第 38 卷 第 30 期 钱利锋等: 大型铸钢节点加载试验研究个节点在端面坡口处应力集中而破坏。在连接帽端板中通过锚具夹片穿出,满足强度要求的钢绞线进行受拉杆件的加载,然后使钢绞线穿过反力架的节点,在反力架节点的对面安装穿心千斤顶施加拉力,反力也作用在反力架上,这样反力架也满足力的自平衡。连接帽与节点端头连接如图 7 所示,千斤顶与反力架的连接如图 8,图 9 所示。
    试验采用 5 级加载,3 级卸载,每级加载都使节点受力平衡。加载过程中,控制各杆件的同步加载是试验实施的重点。施加的杆端力是通过千斤顶油压进行控制。每次加载至预定荷载等级并稳定 2 min 后利用 DH3815N 静态应变测试系统采集数据。
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图7 连接帽与节点端头相连图
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图8 受压千斤顶油缸连接形式 图9 穿心千斤顶油缸连接形式

    3 数值分析

    通过 ANSYS 软件对节点进行理论分析,采用三维实体单元 ( Solid95) ,模型在各杆件相连应力复杂处细分网格,以获得足够高的计算精度。有限元分析时模拟试验中的加载和约束情况,分析得到节点变形云图以及在试验荷载下的第一 、三主应力的应力分布云图见图 10。
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a)第一主应力                      b)第三主应力图
10 应力云图

   4 试验结果与有限元分析结果的比较分析

    根据试验测得每个位置应变,得到该点的第一 、三主应力,并与 ANSYS 分析结果进行比较。比较曲线见图 11。
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a) S1
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b) S3
图11  试验数据与ANSYS数据比较
    通过比较节点的(图11)试验数据与理论结果可以看(试验数据与ANSYS数据比较)出,两者的数值变化趋势是比较吻合的。理论分析得到在杆件3 根部第一主应力值较大,相对应测点10 ~13 测得的数值较大,最大达到 81. 27 MPa。理论分析可得节点的第三主应力较小且较均匀,其中杆件 5 施加的压力达3 932 kN,相对应的第三主应力值较其他杆件大,其上的测点 42 ~53 数值上较其他测点大,最大的值为 - 77. 68 MPa。说明试验能够真实地反映 ZG-55 各个杆件的受力情况。

    5 结语

    1) 对受力复杂的铸钢节点,试验中无法真实施加实际荷载,可通过等效应力的方法简化加载方案,以达到试验的目的。
    2) 对于节点的加载,采用固定某几根杆件,然后对另外几根杆件施加主动力的做法在很大程度上减少试验的误差,避免油缸不能同时操作的缺点,提高试验的精确性。
    3) 数据的采集和分析均采用比较先进的软件进行,保证了数据的可靠性与准确性。试验与理论结果比较吻合,铸钢节点加工性能良好。
    4) 试验过程中,铸钢节点没出现破损和局部破坏,在试验状态下,理论模拟可以预测实际的工作状况。
   
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