鑄鋼相貫節(jié)點的有限元分析和空間加載試驗研究

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1、第七屆全國現(xiàn)代結(jié)構(gòu)丁程學(xué)術(shù)研討會鑄鋼相貫節(jié)點的有限元分析和空間加載試驗研究陳志華榮彬張亮陳永豪劉紅波何彩云(大津★學(xué)建筑工程學(xué)院．天津300072)'摘要：髓著大跨度結(jié)構(gòu)的發(fā)展，鑄鋼節(jié)點逐漸得到廣泛地應(yīng)用。本文結(jié)合某實際工程，對一個鑄鋼榍貫節(jié)點進行了有限元分析；并設(shè)計自平衡加載框架，進行空間加載試驗。有限元分析結(jié)果和試驗結(jié)果吻合較好，驗證了該鑄鋼相貫節(jié)點在實際工程應(yīng)用中的安全可靠性：掌握丁該鑄鋼相貫節(jié)點的受力性能。關(guān)鍵詞：鑄鋼節(jié)點，有限元分析，自平衡加載框架，空間加載一，概述●隨著現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展。結(jié)構(gòu)跨度越來越大、形式越來越多、造型越來越復(fù)雜，結(jié)構(gòu)中桿件與桿件的連接方式也

2、日趨多樣化。常規(guī)節(jié)點已無法滿足現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)冉勺設(shè)計要求。節(jié)點構(gòu)造的好壞對結(jié)構(gòu)的傳力性能、制作安裝、工程造價等都有相當大的影響．因此對大跨度結(jié)構(gòu)中受力大、構(gòu)造復(fù)雜的節(jié)點選擇合理的節(jié)點形式己成為空間結(jié)構(gòu)發(fā)展的重要課題。．目前．鑄鋼節(jié)點以其構(gòu)造簡單、旖工方便且滿足受力要求的連接方式，可以解決常規(guī)節(jié)點無法解決的問題等方面的優(yōu)勢．越來越受到工程界的關(guān)注?”1。隨著鑄造水平的提高，鑄鋼材料由于其具有良好的機械加工性能，適用于復(fù)雜多樣的建筑造型，近年來得到了廣泛推廣。在大跨度空間結(jié)構(gòu)中，對受力大、構(gòu)造復(fù)雜的節(jié)點，特別是一些異形節(jié)點，采用鑄鋼連接，能夠取得很好的技術(shù)、經(jīng)濟效益。t’本文針對某

3、實際工程中的鑄鋼相貫節(jié)點，進行了有限元分析，并進行空間加載試驗驗旺，對該鑄鋼相貫節(jié)點的實際受力性能進行了研究。二、鑄鋼相貫節(jié)點模型鑄鋼相貫節(jié)點是根據(jù)節(jié)點形式，將多根桿件的匯交處直接澆鑄而形成，并在鑄鋼管相交處進行倒角處理，以弱化應(yīng)力集中的影響”““。鑄鋼相貫節(jié)點的內(nèi)腔，依據(jù)實際受力狀態(tài)，可以澆鑄成空心(為提高節(jié)點的強度和剛度，在節(jié)點內(nèi)部可以設(shè)置鑄鍘加勁肋)，也可以澆鑄成半空心半實心?？紤]到鑄銅節(jié)點自重和工程造價等多方面因素，在滿足節(jié)點受力性能的條件下，通常采用空心鑄鋼節(jié)點。本文分析和試驗研究的鑄鋼節(jié)點就屬于空心鑄鋼相貫節(jié)點。具體節(jié)點模型和各鑄鋼管編號如圖】所示。圖1鑄鋼相貫節(jié)

4、點模型工業(yè)建筑2007增刊第七屆全國現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會鑄鋼相貫節(jié)點所用鑄鋼材料牌號為Gs一20‰5v．具體化學(xué)成分為(％)：c：0．17～0．23；si≤O60；Mn：1．0～1．5；P≤O．020：s≤0．015：cr≤O．30；Mo≤0．15；Ni≤0．40：AL≤O．02：機械性能為：屈服強度大于360MPa，抗拉強度大于500肝a，延伸率大于24％．’沖擊功70J。鑄鋼節(jié)點的幾何尺寸和實際應(yīng)用中所受壓力狀況如表1所示鑄鋼管編號鑄鋼管內(nèi)外徑(衄)鑄鋼管長度(∞)鑄鋼管受力(kN)2273×2236203175Z3273×2236203394273×22339088．

5、6085273×223600172，2126273×223600．505567273×22344033804三、鑄鋼相貫節(jié)點有限元分析(一)單元選取，在鑄鋼相貫節(jié)點的有限元分析中，采用sOLIDl87單元模擬鑄鋼節(jié)點。由于鑄鋼相貫節(jié)點幾何模型復(fù)雜”1，在此次分析中，采用通用cAM軟件soLI腳ORKS建立鑄鋼節(jié)點的實體模型，再導(dǎo)入“sYs中進行有限元分析。s0LIDl87單元是10節(jié)點四面體單元，具有塑性、大變形和大應(yīng)變性質(zhì)，適用于cAhI軟件導(dǎo)入模型的復(fù)雜網(wǎng)格劃分。(二)材料屬性鑄鋼相貫節(jié)點的材料屬性設(shè)置如下：屈服強度為360N／m2；彈性模量為206000N／I皿2：泊松

6、比為0．3。(三)鑄鋼相貫節(jié)點等效應(yīng)力分析結(jié)果依據(jù)表1中的各鑄鋼管實際受壓狀況，將軸壓荷載分別施加于各鑄鋼管，進行有限元分析，得到空間加載狀態(tài)下，鑄鋼節(jié)點的等效應(yīng)力結(jié)果如圖2所示。鑄鋼節(jié)點的最大等效應(yīng)力為42．155N／mⅢ2。r圖2鑄鋼相貫節(jié)點等效應(yīng)力云圖四、鑄鋼相貫節(jié)點空間加載試驗(—)自平衡加載框架此次鑄鋼相貫節(jié)點加載試驗，屬于空間多角度加載，加載方向復(fù)雜。針對鑄鋼相貫節(jié)點的具體形式，設(shè)計并加工一套自平衡的封閉式加載框架，保證試驗工作的正常開展。自平衡加載框架在以下兩項原則的工業(yè)建筑2007增刊1135第七屆全國現(xiàn)代結(jié)構(gòu)]==程學(xué)術(shù)研討會基礎(chǔ)上進行設(shè)計：(1)自平衡加載

7、框架滿足多角度空間加載的強度和剛度要求，加裁時構(gòu)成自平衡受力體系，對試驗臺，座作用較?。骸啊?2)自平衡加載框架便于崮定，加數(shù)所用牛腿的類型少且設(shè)計簡單。在鑄鋼相貫節(jié)點空間加載試驗中．設(shè)計的自平衡加載框架如圖3所示。／囹，圖＼。掣蕊≤#頂千嗣摹N《氣荔翕?×叉jr接長警＼圓／圖3空間加載的自平衡加載框架(二)應(yīng)變片布置位置參考有限元分析結(jié)果，此次鑄鋼相貫節(jié)點試驗在等效應(yīng)力最大處布置45。應(yīng)變花，共計布置應(yīng)變花12處；為保證軸心加載校核．另布置應(yīng)變片12個。應(yīng)變花布置位置如圖4所示。7．4圖4應(yīng)變花布置位