(陈以一)空间结构大型铸钢节点试验研究

分析值 。在应力分析值和测试值的大小和分布一致的 条件下 ,以有限元分析的结果推断整个铸钢节点内部 的应力状况 。
(3) 确定强度准则 ,结合试验和分析 ,对节点的承 载安全性做出判断 。
试验在同济大学建筑工程系静力试验室进行 ,试 件数量 1 件 。
图 1 试验铸钢节点
图 2 铸钢节点最大试验荷载
致谢 :本试验得到华南理工大学建筑设计研究院 、
上海锅炉厂 、上海浦江缆索厂的支持 ,特此感谢 。
第 32 卷 第 12 期
建 筑 结 构
2002 年 12 月
空间结构大型铸钢节点试验研究
卞若宁1) 陈以一1) 赵宪忠1) 沈祖炎1) 陈荣毅2) 吴欣之3)
[ 提要 ] 通过广州国际会展中心张弦梁端部大型铸钢节点足尺试验 ,得到试件表面的应力测试值 ;利用有限 元软件建模和分析 ,得到测点位置的应力分析值 。在试验值和有限元分析值一致的情况下 ,以有限元分析的 结果推断了整个铸钢节点内部的应力状况 ,确定了强度准则 。结合试验和分析 ,对节点的承载安全性做出了 判断 。给出了设计强度的建议值和强度判别式 。 [ 关键词 ] 铸钢节点 节点试验 大吨位加载 有限元 强度准则
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1 铸钢节点 ;2 锚杆 ;3 反力架 ;4 穿心式千斤顶 ;5 两个1 000 kN 千斤顶 ; 6 竖向反力架 ; 7 锻钢柱面 铰 ;8 锚盘 ;9 锚杆连接套筒 ;10 螺帽 ;11 锚板
图 3 加载装置布置图
图 4 锚杆拉力校核
的拉索在试验中用锚杆代替 ,锚杆一端用螺帽固定在 锚盘上 ,一端通过 L 形反力架的孔道和穿心式千斤顶 , 用螺帽固定在千斤顶上 。用千斤顶对锚杆施加拉力 , 通过锚盘对铸钢节点施加压力 。锚盘与铸钢节点的接 触承压面及钢制销栓均按照实际结构尺寸制作 。考虑 到刚性桁架受拉腹杆内力较小 ,试验中不施加相应的 荷载 。对桁架受压腹杆与铸钢节点的连接头仅施加一 对竖向荷载 。图 3 中 L 形反力架用于平衡锚杆拉力 , 竖向荷载则通过竖向反力架予以平衡 。
五 、铸钢节点的强度准则 由材性试验结果看出 ,铸钢材料强度指标比较稳 定 ,屈服点平均值为 306MPa ,均方差为 814MPa ,以屈 服点为设计强度依据 ,设材料屈服点服从正态分布 ,则 按 97173 % 保 证 率 , 强 度 标 准 值 可 取 为 289MPa , 取 Q235 钢材的抗力分项系数为 11087 ,由此确定节点铸 钢的强度设计值 。 钢材伸长率远超过 22 % ,具有良好的塑性 , 即使 节点内部有局部区域发展塑性 ,应能通过应力重分布
实际结构中刚性杆下弦及腹杆除承受轴力外 ,还
承受数值不大的弯矩和剪力 。根据实际结构中的节点
状况进行建模计算 ,得到在最大设计荷载下的节点最 大 Mises 应力为 σsmax = 280MPa 。由上述强度判别式
σsmax = 280 < 111 ×289/ 1 . 087 = 293 MPa
即可以认为节点在设计荷载下是安全的 。
有效防止节点破坏 。鉴于材料的良好塑性性能 ,铸钢 节点的强度判别可以采用 Mises 塑性条件 。参照钢结 构设计规范的强度计算公式 ,可得 :
σs =
1 2
[ (σ1
-
σ2) 2
+
(σ2
-
σ3) 2
+
(σ3
-
σ1) 2 ]
≤111 f y/ γR
( 1)
其中 σs 为折算应力 ,γR 按 11087 取值 。
试验加载条件下 ,铸钢节点测点的最大 Mises 应力为
278MPa ,小于材料的屈服强度 。
(3) 有限元计算和试验结果符合良好 。有限元计
算的铸钢节点在最大试验荷载作用下未超过弹性 ,在
最大设计荷载下的应力值与试验值相当接近 。
(4) 根据材性试验 ,建议了铸钢节点的设计强度取
值和强度判别式 。
3. 测试方案 铸钢节点上共布置三向应变片测点 79 个 ,计 237 个应变分量 ,分别测试节点内外表面的应变值 。锚杆 的实心圆钢段上分两个截面布置单向应变片 ,每个截 面沿圆周均布 4 片 ,用来反算张拉千斤顶的实际拉力 。 另布置 6 个位移计 ,用来测试铸钢节点受荷后的空间 变位情况 。通过应变采集仪和计算机系统采集数据 , 施加每级荷载后即采集第一次数据 ,间隔 1min ,再采 集第二次数据 。 三 、试验结果及分析 1. 材性试验 铸钢参照德国 DIN 标准制作 。材性试验结果如 表 1 所示 。 2. 锚杆拉力校核 为验证穿心式千斤顶加载的准确性 ,在锚杆两个 截面上沿圆周对称布置两组应变片 ,通过应变片值反
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试件号
1 2 3 4 5 6 7 总平均值 均方差
试件材性试验表
f y( MPa) 300 310 292 301 315 305 318 306 814
f u( MPa) 507 504 492 506 510 496 509 503 613
E ( MPa) 201 899 194 920 194 284 204 088 196 471 189 153 198 467 197 040
于节点轴线 a2a 的反力作用 ,没有垂直于轴线 a2a 的竖
向分力和弯矩 。铸钢节点在点 B 通过钢制销栓铰接在
反力架上 ,与实际结构中的构造相同 。张弦梁结构中
1) 同济大学建筑工程系 ,上海 ,200092 ;2) 广州地区建设工程质量安 全监督站 ,510030 ;3) 上海机械施工公司 ,200072 。
The full2scale loading test on cast steel joint with large size used in space structures is reported. By the measurement , the stresses on the surface of the cast joint are obtained. FEM analysis is also performed to compute the stresses on the same points. Both of the values match each other well ,and in that condition ,the inner stress distribution can be de2 duced by the FEM results. Combined the test and computation ,the strength criterion is determined ,and the safety of the joint is assessed. Keywords :cast steel joint ;loading test ;heavy load ; FEM analysis ;strength criterion
图 5 测点 86 反应曲线
图 6 测点 93 反应曲线
51 分析 在最大试验荷载作用下铸钢节点试件测点中的最 大折算应力出现在锚盘内侧 ,约为 278MPa 。此处应力 较大的原因是锚盘处铸钢节点承载面反侧没有支承 , 相当于中央开口圆板只约束外圆周 ,而开口边有较大 分布荷载 。但所有测点的应力值均小于材料的屈服强 度 。节点其它部位的应力较小 。 四 、有限元计算和试验的比较 利用有限元计算软件 ANSYS 计算 ,采用 10 节点 4 面体实体单元建模 ,并利用了结构和荷载的对称性 。 结构中铸钢节点的右端与钢管桁架下弦相连 ,试验中 , 该端口通过锻钢柱面铰顶在 L 形反力架上 ,可以在铸 钢节点对称平面内转动 。建立有限元模型时 ,考虑到 试验加载和实际结构的这一差别 ,分别采用不同的边 界条件 。 将弹性有限元计算结果和试验结果相比较 。铸钢 节点两个面上的测试结果和有限元在相同工况下的计 算结果比较见图 7 。图中曲线为有限元计算的铸钢节 点的折算应力等高线 ,圈内数字为实测应变计算出的 折算应力值 。
2. 加载方案
试验的难点在于大吨位加载的实施 。实际节点受
到的张弦索设计拉力约5 100 kN , 试验中设计加载到
6 000kN 级 。为此采用了图 3 所示的加载装置 。铸钢
节点与刚性桁架下弦杆连接端部 A 处通过锻钢柱面
铰顶在焊接于反力架上的平行柱面上 ,两个柱面的圆
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
柱轴线平行 ,因此假定铸钢节点在 A 端主要承受平行
一 、引言 铸钢节点由于其良好的适用性正逐渐应用于大跨
度空间钢结构[1] 。然而目前并没有一套成熟的铸钢节 点设计方法 ,在实际荷载作用下 ,铸钢节点的应力状况 十分复杂 ,因此对大型 、形状复杂的铸钢节点有必要进 行试验研究 。
此次试验服务于广州国际会展中心工程主体结构 中的 钢 结 构 。该 主 体 钢 结 构 的 屋 架 采 用 跨 度 达 到 126m 的张弦梁[2] 。张弦梁端部为铸钢节点 。该节点 规格大 (115m ×2m ×1m) ,重量大 ( 张弦梁两端的节点 重量分别为 40 和 60kN) ,由国内制造 ,是国内建筑结 构中首次采用的超大型铸钢节点 。铸钢节点在荷载作 用下能否确保安全 ,是张弦梁屋架整体安全性的关键 环节之一 。此次试验的目的是确认大跨度张弦梁支座 铸钢节点在最大试验荷载作用下的承载安全性 。
二 、试验设计 11 研究技术路线 试验的铸钢节点是典型的三维结构 ( 见图 1) 。节 点的承载安全性主要是指节点内的荷载效应 ( 应力) 应 低于钢材强度 。但是试验中只能测取节点试件内外表 面有限点的应变状态 ,对节点内部的应力状况则无从 测试 。为此 ,确定如下的技术路线 ,综合测试和分析 , 以对节点承载安全性进行判断 : (1) 从张弦梁中取出一个典型节点 ,施加超过最大 设计值的荷载 ,即最大试验荷载 ( 图 2) ,同时测取其内 外表面若干点的应变 ,通过理论计算得到应力测试值 。 (2) 有限元建模和分析 ,得到试验测点位置的应力
图 7 有限元计算节点应力值和实测值比较
比较结果表明 ,有限元计算结果和铸钢节点上大 部分测试点的折算应力分布吻合良好 ,因此建模和有 限元计算是可以信赖的 。
由有限元分析看出 ,在试验最大荷载作用下 ,铸钢 节点的最大折算应力都在节点的表面区域 ,且其最大 分析应力与最大测试应力值基本吻合 。按 Mises 条件 判定铸钢节点钢材未进入塑性 。所以 ,可以推断整个 节点在最大试验荷载作用下处在弹性范围内 。
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表1
伸长率 δ5 ( %) 50 60 61 55 60 60 59 58 317
算锚杆拉力 。穿心式千斤顶油压表显示的拉力与锚杆 上应变片实测后计算的拉力比较见图 4 。比较结果表 明 ,锚杆拉力实测值与千斤顶显示值差距很小 ,当加载 至最大荷载时 ,锚杆拉力实测值与千斤顶显示值的比 值为 01997 ,可见穿心式千斤顶加载准确 。
六 、结论
(1) 设计加载6 000kN 的试验加载装置 ,在实验室 条件下模拟了大型铸钢节点的受力状况 。
(2) 张拉式穿心千斤顶加载准确 。锚杆的最大拉
力达设计内力的 1116 倍 ,铸钢节点与桁架下弦杆相连 接处受力为设计内力的 1140 倍 ,销栓处反力合力达设
计反力的 1139 倍 ,均超过设计荷载产生的内力 。最大
3. 应变测试结果 整理数据发现 ,直至最大加载水平 ,节点所有测点 的应变都保持在弹性范围内 ,因此可根据弹性理论将 测得的应变换算成应力 (弹性模量取 1197 ×105MPa) 。 以下给出应变较大的测点 86 ,93 ( 位置见图 3) 的荷载2 主应 变 曲 线 和 荷 载2应 力 曲 线 ( 图 5 , 6) 。各 曲 线 在 6 000kN 水平位置因竖向千斤顶加载而出现应变 ( 应 力) 变动的趋势 。应力图曲线中 ,实线为最大主应力 , 虚线为最小主应力 ,点划线为折算应力 。折算应力按后 文式 (1) 计算 。 41 位移计测试结果 布置 6 个位移计 ,测试铸钢节点受荷后的空间变 位情况 。从测试结果知 ,铸钢节点的空间变位均很小 , 对节点的测试结果影响很小 。