蔡 健 ,王永琦 ,陳慶軍 ,姜正榮 ,錢 泉 ,左志亮
(1. 華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院,廣東 廣州 510641;2. 華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室,廣東 廣州 510641)
對(duì)于以剛度作為設(shè)計(jì)控制條件的大跨度空間結(jié)構(gòu)而言,節(jié)點(diǎn)剛度十分重要. 在相同截面周長(zhǎng)下,圓形截面桿件的截面剛度往往小于矩形截面,這使其具有存在并發(fā)展的技術(shù)空間[1]. 在單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中,節(jié)點(diǎn)起著連接匯交桿件、傳遞荷載的作用. 結(jié)構(gòu)的傳力路徑可能隨著節(jié)點(diǎn)的失效不斷發(fā)生改變,進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體系的局部破壞甚至整個(gè)體系的連續(xù)性倒塌[2-4]. 因此,節(jié)點(diǎn)剛度將直接影響結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性、變形及內(nèi)力分布等[5-6].
對(duì)于焊接矩形鋼管空間網(wǎng)殼而言,我國(guó)目前最常用的焊接空心球節(jié)點(diǎn)和螺栓球節(jié)點(diǎn)無(wú)法滿足建筑設(shè)計(jì)要求,同時(shí),此兩類節(jié)點(diǎn)被看作是鉸接[7]或半剛接[8],低估了節(jié)點(diǎn)的作用并浪費(fèi)了材料[9-10]. 而空間鑄鋼節(jié)點(diǎn)制作也比較復(fù)雜,如何研制一種構(gòu)造簡(jiǎn)單施工方便的節(jié)點(diǎn)形式是空間結(jié)構(gòu)中的熱點(diǎn)問題. 文獻(xiàn)[11]提出了計(jì)算平面X形矩形鋼管相貫節(jié)點(diǎn)平面外抗彎剛度的公式. 此外,王先鐵等[12]、陳敏[13]針對(duì)單層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)分別設(shè)計(jì)了一種新型節(jié)點(diǎn).
圖1 新型焊接端板節(jié)點(diǎn)Fig.1 New type of welded end-plate joint
本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某空間網(wǎng)殼工程,研究了一種如圖1所示的適用于矩形截面鋼管網(wǎng)殼的新型焊接端板節(jié)點(diǎn),該節(jié)點(diǎn)由桿件及端板組成. 桿件端部按照節(jié)點(diǎn)端板的角度切割、剖平并焊接. 具有便于施工、剛度大及經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn). 而目前沒有關(guān)于該種新型節(jié)點(diǎn)的研究,為掌握該種節(jié)點(diǎn)的受力性能,推廣該種節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用,本文以實(shí)際工程為背景,通過試驗(yàn)及數(shù)值仿真分析對(duì)該節(jié)點(diǎn)的受力性能進(jìn)行研究.
為研究該新型節(jié)點(diǎn)的受力性能、承載能力及破壞機(jī)理,試驗(yàn)選取采用該新型節(jié)點(diǎn)的某工程中較危險(xiǎn)區(qū)域處的截面尺寸為 400 mm × 200 mm ×12mm ×12 mm的箱型截面節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)研究.
考慮到試驗(yàn)加載設(shè)備、反力架的性能以及幾點(diǎn)的尺寸因素,采用1∶2的縮尺模型進(jìn)行試驗(yàn),取桿件截面為 200 mm × 100 mm ×6mm ×6mm. 在圖 2試件平面圖中,將八邊形包圍的區(qū)域稱為節(jié)點(diǎn)區(qū),其它區(qū)域稱為桿件. 為避免加載時(shí)由于桿件太長(zhǎng)而引起的桿件先破壞的情況,桿件不宜太長(zhǎng);而根據(jù)圣維南原理,為減小邊界條件對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)受力性能的影響,桿件長(zhǎng)度不應(yīng)太小. 因此,首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將桿件長(zhǎng)度取為2.5h (h為桿件截面高度). 為方便加載及固定,在每根桿件端部焊接一塊尺寸為280 mm × 180 mm ×20 mm的端板. 試件具體尺寸詳見圖2. 通過材性試驗(yàn)得到的鋼板力學(xué)性能指標(biāo)見表1.
圖2 試件詳圖Fig.2 Details of the joint
為驗(yàn)證桿件長(zhǎng)度取值2.5h的合理性,選取截面為 400 mm × 200 mm ×12mm ×12mm,長(zhǎng)度為2m的桿件進(jìn)行多尺度模型分析. 在有限元分析軟件ABAQUS中分別建立全梁?jiǎn)卧P汀⑷珰つP鸵约傲簹卧喑叨饶P?,其中多尺度模型由長(zhǎng)度分別為2.5h (1 m)的梁?jiǎn)卧獏^(qū)域和殼單元區(qū)域組成. 鋼材采用理想彈塑性本構(gòu)模型,彈性模量及屈服強(qiáng)度分別取為206 GPa和345 MPa. 桿件底部固接,在頂端施加平行于短邊的水平力. 從圖3可以看出,桿件長(zhǎng)度取為2.5h是合理的.
表1 材性試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Material properties of the test specimens GPa
圖3 多尺度分析結(jié)果Fig.3 Results of multi-scale analysis
運(yùn)用結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件3D3S. v9.0對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算,按照規(guī)定添加荷載工況組合. 計(jì)算結(jié)果表明軸力、彎矩、剪力和扭矩對(duì)每根桿件同時(shí)產(chǎn)生影響,但軸力的作用最明顯,其它作用可以忽略. 因此本試驗(yàn)只進(jìn)行節(jié)點(diǎn)受壓極限承載力試驗(yàn). 試驗(yàn)在可以承受20 000 kN荷載的自平衡反力架中進(jìn)行,加載裝置如圖4所示.
圖4 試驗(yàn)加載裝置Fig.4 Test setup
桿件4~6端固定在反力架上,經(jīng)前期研究表明,當(dāng)3根桿件中施加相同軸力時(shí),接近最不利荷載的布置. 因而通過千斤頂分別對(duì)桿件1~3施加大小相等的軸力. 加載過程分為預(yù)加載及正式加載. 前者分3級(jí),每級(jí)施加荷載50 kN. 根據(jù)有限元分析結(jié)果,試件在桿件1~3中軸力達(dá)到800 kN左右時(shí)開始出現(xiàn)屈服. 因此在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),在0~300 kN荷載階段,每次施加100 kN;在荷載小于700 kN時(shí)按照每級(jí)50 kN進(jìn)行加載;此后每級(jí)加載降為30 kN直至試件屈服;緊接著根據(jù)位移來(lái)調(diào)整加載值,直至破壞.
本次試驗(yàn)共布置了60個(gè)應(yīng)變片、16個(gè)應(yīng)變花、10個(gè)精度為0.01 mm的位移計(jì)和2個(gè)力傳感器,分別用于測(cè)量應(yīng)變、位移及軸力. 通過東華DH3816靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)采集數(shù)據(jù),各測(cè)點(diǎn)位置見圖5. 圖中應(yīng)變片編號(hào)用應(yīng)變片0° 和90° 方向片編號(hào)來(lái)表示,如“17-19”代表測(cè)點(diǎn)17~19組成的應(yīng)變花.
圖5 測(cè)點(diǎn)布置Fig.5 Layout of the strain gauges
(1) 當(dāng)荷載小于550 kN時(shí),試件變形較小,僅測(cè)點(diǎn)51、56、100應(yīng)變達(dá)到屈服. 由于這些測(cè)點(diǎn)處于節(jié)點(diǎn)區(qū)或支座角部,存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,所以應(yīng)變較大.
(2) 當(dāng)荷載大于 600 kN時(shí),測(cè)點(diǎn) 42、70均屈服,且新的屈服點(diǎn)隨著荷載的增大而出現(xiàn).
(3) 當(dāng)荷載大于823 kN時(shí),雖然節(jié)點(diǎn)區(qū)凹面和側(cè)面測(cè)點(diǎn)已經(jīng)屈服,但是桿件仍然處于彈性狀態(tài).
(4) 當(dāng)荷載大于1 176 kN時(shí),軸壓無(wú)法繼續(xù)維持,節(jié)點(diǎn)變形突然增大,試件宣告破壞. 此時(shí),桿件1~3與節(jié)點(diǎn)區(qū)交接處及桿件4~6與支座連接的端部出現(xiàn)明顯的局部屈曲. 試件破壞時(shí)的形態(tài)見圖6.
通過等效應(yīng)變強(qiáng)度求得應(yīng)變花的應(yīng)變強(qiáng)度. 圖7給出了節(jié)點(diǎn)區(qū)各測(cè)點(diǎn)荷載-應(yīng)變強(qiáng)度. 其中,荷載代表縮尺模型相應(yīng)桿端軸力. 從圖中可以看出試件的凹面測(cè)點(diǎn)100~102 (桿件1根部)最先進(jìn)入塑性,隨后節(jié)點(diǎn)區(qū)側(cè)面測(cè)點(diǎn)70~72 (桿件 4)、測(cè)點(diǎn)106~108(桿件1)也進(jìn)入塑性,并發(fā)展較快. 節(jié)點(diǎn)破壞時(shí),節(jié)點(diǎn)區(qū)大部分測(cè)點(diǎn)應(yīng)變突然增大,出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折,說明節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼板已經(jīng)屈曲.
圖6 節(jié)點(diǎn)破壞形態(tài)Fig.6 Failure modes of the joint
圖7 節(jié)點(diǎn)區(qū)測(cè)點(diǎn)荷載-應(yīng)變強(qiáng)度曲線Fig.7 Load-strain intensity curve of different parts of the joint
圖8 給出了桿件1、2和3中截面測(cè)點(diǎn)的荷載-應(yīng)變曲線. 從圖中可以看出,在試件破壞前,除桿件5外,其他測(cè)點(diǎn)的荷載-應(yīng)變曲線均近似為直線,說明在試件整體破壞前均處于彈性狀態(tài).
圖9給出了各加載端荷載-位移曲線,可以看出該節(jié)點(diǎn)從加載開始到結(jié)束經(jīng)歷了3個(gè)階段:(1) 彈性階段:曲線為直線,且3條曲線的較剛度一致. 而桿件2的位移偏大,分析原因?yàn)楹附釉斐闪嗽嚰税灏l(fā)生彎曲和各部件間的空位. (2) 彈塑性階段:當(dāng)荷載大于600 kN時(shí),測(cè)點(diǎn)開始屈服,但塑性區(qū)發(fā)展緩慢,試件整體承受荷載的能力不受影響. (3) 塑性破壞階段:當(dāng)荷載大于981 kN時(shí),節(jié)點(diǎn)塑性區(qū)開展較為嚴(yán)重,變形明顯增大,直至破壞. 從圖10節(jié)點(diǎn)中點(diǎn)荷載-豎向位移曲線可以看出,隨著節(jié)點(diǎn)從彈性階段進(jìn)入屈服階段,其豎向位移從0開始逐漸增大,直到破壞.
圖8 節(jié)點(diǎn)區(qū)測(cè)點(diǎn)荷載-應(yīng)變曲線Fig.8 Lload-strain curve of different parts of the joint
圖9 桿端荷載-位移曲線Fig.9 Load-axial displacement curve of different bars
圖10 節(jié)點(diǎn)區(qū)中心點(diǎn)荷載-豎向位移曲線Fig.10 Load-vertical displacement curve in the center of the joint
本文采用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)此試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行仿真分析. 通過約束設(shè)置在桿端截面參考點(diǎn)的自由度來(lái)模擬實(shí)際加載端或固定端. 模型采用雙線性彈塑性模型,泊松比取0.3,其它材料參數(shù)見表1. 采用Von-Misess屈服準(zhǔn)則及相關(guān)的流動(dòng)法則控制材料彈塑性的發(fā)展和單元?jiǎng)偠? 由于模型中桿件壁的寬厚比小于15,故采用一階4節(jié)點(diǎn)四邊形有限薄膜應(yīng)變線性減縮積分殼單元S4R來(lái)模擬節(jié)點(diǎn)單元. 其中,節(jié)點(diǎn)區(qū)和桿件的單元尺寸分別為10 mm和20 mm,總單元數(shù)為9 753.
通過一系列有限元模型計(jì)算發(fā)現(xiàn)空間網(wǎng)殼焊接端板節(jié)點(diǎn)在破壞前變形均較小且有極值點(diǎn),且進(jìn)入塑性后荷載-位移曲線有水平段,因此,這里取極值點(diǎn)作為極限承載力.
圖11比較了試驗(yàn)及有限元模型加載端的荷載-位移曲線. 可以看出試驗(yàn)所得屈服荷載及極限荷載偏大,平均差值分別為1.40%和5.07%,而有限元分析結(jié)果的剛度較大. 原因除有限元分析結(jié)果的普遍特征之外,主要有:(1) 焊縫的存在有助于試件承載力的提高和剛度的降低[14];(2) 焊接變形引起桿件端部蓋板向外弧彎明顯,使測(cè)得的位移偏大;(3) 有限元分析所取本構(gòu)與試驗(yàn)材質(zhì)的差異.
圖11 桿件荷載-位移曲線Fig.11 Load-displacement curves of the joint
圖12 列出了部分測(cè)點(diǎn)的荷載-應(yīng)變曲線. 可以看出兩者在彈性階段吻合良好,而在由彈性階段向塑性階段發(fā)展的過渡階段有一定的偏離. 分析原因?yàn)闇y(cè)點(diǎn)選取誤差及邊界條件差異.
圖12 部分測(cè)點(diǎn)荷載-應(yīng)變曲線Fig.12 Load-strain curve of some spots on the joint
整個(gè)節(jié)點(diǎn)破壞時(shí)的應(yīng)力分布見圖13,其中,桿件在固定支座的下部以及節(jié)點(diǎn)區(qū)的連接處應(yīng)力較大,但僅僅分布在一個(gè)較小的范圍內(nèi). 節(jié)點(diǎn)端板的應(yīng)力在靠近加載端出現(xiàn)較大、較集中的分布.
圖13 節(jié)點(diǎn)破壞時(shí)應(yīng)力分布Fig.13 Distribution of stress in the joint
在前章研究的基礎(chǔ)上,通過創(chuàng)建有限元模型探討桿件間水平夾角α、桿件平面外角度β、端板壁厚t2與桿件壁厚t1比值等幾何參數(shù)對(duì)該類型節(jié)點(diǎn)受力過程、破壞模式以及極限承載力的影響規(guī)律.
為表述方便,將節(jié)點(diǎn)以形式 β1-β2-β3-α-t1-t2進(jìn)行命名,其中 β1、β2及 β3分別代表?xiàng)U件 2、5 和桿件 3、6以及桿件1、4與水平面間的夾角. 若t2項(xiàng)為0,則表示未設(shè)置節(jié)點(diǎn)端板. 各角度含義見圖14.
參考《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50017—2003)》[15]中的規(guī)定,為使焊根能夠熔透,兩桿件軸線間夾角不得小于30°,同時(shí)參照一般建筑造型的尺寸,本文在選取節(jié)點(diǎn)分析參數(shù)時(shí)將α限定在30°~75° 之間,而將β限定在0°~8° 之間,桿件腹板及翼緣分別取為200 mm和100 mm,各分析參數(shù)見表2.
在此次限元分析中,不考慮鋼材的強(qiáng)化階段,而將其作為節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的安全儲(chǔ)備. 取鋼材的屈服強(qiáng)度f(wàn)y= 345 MPa,彈性模量 E = 206 GPa,泊松比 ν = 0.3.
圖14 各角度含義Fig.14 Meaning of different angles
表2 分析參數(shù)Tab.2 Parameters for analysis
為驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)端板設(shè)置的意義,分析了4種不同參數(shù)的節(jié)點(diǎn). 圖15給出了節(jié)點(diǎn)端部荷載-位移曲線.
以上比較說明合理的設(shè)置節(jié)點(diǎn)端板可以提高節(jié)點(diǎn)的承載力和剛度,進(jìn)而改善節(jié)點(diǎn)的受力性能.
圖15 不同節(jié)點(diǎn)荷載-位移曲線Fig.15 Load-displacement curves for different joints
本文在描述節(jié)點(diǎn)破壞模式時(shí),不討論支座端部的破壞情況. 通過對(duì)大量有限元模型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,根據(jù)節(jié)點(diǎn)區(qū)與桿件承載力的強(qiáng)弱關(guān)系將節(jié)點(diǎn)的破壞模式分為5種,表3列出各種破壞模式.
表3 節(jié)點(diǎn)破壞模式及條件Tab.3 Failure modes of joint and conditions
根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果,圖16繪制了參數(shù)α、β、及t2/t1對(duì)極限承載力的影響. 從圖中可以看出:
(1) 隨著節(jié)點(diǎn)端板厚度的增大,節(jié)點(diǎn)剛度、屈服承載力以及極限承載力呈增大的趨勢(shì). 隨著β1-β2-β3的增加,節(jié)點(diǎn)區(qū)產(chǎn)生的彎矩也增加,而抗壓剛度逐漸下降. 當(dāng) 30° ≤ α ≤ 60° 時(shí),節(jié)點(diǎn)剛度與 α 成正比,在 α > 60° 時(shí)成反比.
(2) 若平面外角度一定,則當(dāng) α ≤ 60° 時(shí),節(jié)點(diǎn)的極限承載力在t2/t1> 2.00時(shí)趨于穩(wěn)定;反之,節(jié)點(diǎn)的極限承載力在t2/t1> 1.67時(shí)趨于穩(wěn)定.
(3) 當(dāng) α > 60°時(shí),若節(jié)點(diǎn)破壞形態(tài)為節(jié)點(diǎn)區(qū)破壞(即破壞模式D),則節(jié)點(diǎn)極限承載力隨著α的增大而增大;若節(jié)點(diǎn)破壞形態(tài)為桿端破壞(即破壞模式E),則節(jié)點(diǎn)極限承載力隨著α的增大而減小.
圖16 極限承載力影響Fig.16 Factors for ultimate strength
為將該節(jié)點(diǎn)推廣到實(shí)際工程中,現(xiàn)提出該節(jié)點(diǎn)在桿件全部受壓情況下的極限承載力的簡(jiǎn)化計(jì)算方法. 根據(jù)前面的討論,考慮各幾何參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)極限承載力的影響,提出了極限承載力計(jì)算公式:
式中:Nu為節(jié)點(diǎn)的極限承載力;ηβ為參數(shù)β對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力影響系數(shù);ηλ為參數(shù)t2/t1對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力影響系數(shù);ηα為α對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力影響系數(shù);A為桿件橫截面面積;p0~p7為待定系數(shù).
參考《網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ7—2010)》[16]對(duì)焊接空心球節(jié)點(diǎn)安全系數(shù)的取值,本文取空間網(wǎng)殼焊接端板節(jié)點(diǎn)承載力安全系數(shù)K = 1.60,則空間網(wǎng)殼焊接端板節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)承載力N = Nu/K = 0.625Nu,根據(jù)上述分析結(jié)果,發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)極限承載力在水平夾角為60° 前后會(huì)出現(xiàn)不同情況,因此,本章在對(duì)空間網(wǎng)殼焊接端板節(jié)點(diǎn)極限承載力回歸分析時(shí)將分為α ≤60° 和 α > 60° 兩種情況進(jìn)行討論.
根據(jù)表2中節(jié)點(diǎn)分析參數(shù)的范圍,運(yùn)用有限元軟件ABAQUS分析了164個(gè)α在30°~60°之間的空間網(wǎng)殼焊接端板節(jié)點(diǎn)模型. 通過對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行多元非線性回歸擬合,得出節(jié)點(diǎn)在本文所討論的加載條件下式(1)中各參數(shù)所對(duì)應(yīng)的值為
當(dāng) λ > 2時(shí),取 λ = 2. 該情況下計(jì)算得到節(jié)點(diǎn)極限承載力與有限元結(jié)果的最大誤差為7.32%,Nu/NFEA的平均值為0.985(其中,NFEA為由軟件計(jì)算分析得到的極限承載力),相關(guān)系數(shù)為0.9915,方差為0.000 79. 圖17給出了式(1)的計(jì)算結(jié)果與有限元結(jié)果的對(duì)比情況.
運(yùn)用有限元軟件ABAQUS分析了70個(gè)α位于60°~75°之間的空間網(wǎng)殼焊接端板節(jié)點(diǎn)模型,分析參數(shù)范圍參見表2,通過對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行多元非線性回歸擬合,得出節(jié)點(diǎn)在本文所討論的加載條件下的極限承載力為
圖17 α ≤ 60°時(shí)的擬合結(jié)果Fig.17 Fitting result for α ≤ 60°
當(dāng)λ > 2時(shí),取λ = 2. 該情況下計(jì)算得到節(jié)點(diǎn)極限承載力與有限元結(jié)果的最大誤差為7.81%,Nu/NFEA的平均值為0.989,相關(guān)系數(shù)為0.9875,方差為0.000 99.圖18給出了式(1)的計(jì)算結(jié)果與有限元結(jié)果的對(duì)比情況.
圖18 α > 60°時(shí)的擬合結(jié)果Fig.18 Fitting result for α > 60°
本文以某工程為背景,通過對(duì)其中應(yīng)用的新型焊接端板節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究及有限元分析,得出了以下結(jié)論:
(1) 對(duì)1∶2的縮尺模型進(jìn)行了受壓承載力試驗(yàn)研究,結(jié)果表明該類型節(jié)點(diǎn)具有良好的受力性能.
(2) 通過有限元分析軟件ABAQUS對(duì)試件進(jìn)行數(shù)值模擬分析,并將得到的荷載-應(yīng)變強(qiáng)度曲線、荷載-位移曲線、破壞形態(tài)與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明兩者吻合較好,有限元模型能夠用于大規(guī)模參數(shù)化分析.
(3) 在一定區(qū)間內(nèi),節(jié)點(diǎn)的極限承載力隨著節(jié)點(diǎn)端板厚與桿件壁厚比值t2/t1的增大而增大,而與平面外角度β成反比. 水平夾角α對(duì)節(jié)點(diǎn)極限承載力影響較大,但其在60° 前后影響不同.
(4) 根據(jù)有限元分析結(jié)果分別對(duì) α ≤ 60° 和 α >60° 兩種情況下節(jié)點(diǎn)的極限承載力進(jìn)行了擬合回歸,提出了該節(jié)點(diǎn)受壓極限承載力計(jì)算公式,結(jié)果表明,該公式能較好地計(jì)算節(jié)點(diǎn)的極限承載力,進(jìn)而可以作為工程設(shè)計(jì)的參考依據(jù).
致謝:感謝華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題項(xiàng)目(2015ZC18)資金的資助.