石開榮 潘文智 姜正榮 呂俊鋒 盧永徽
(1.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院, 廣州 510640; 2.華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣州 510640)
由于結(jié)構(gòu)形式和受荷方式的多樣性,空間結(jié)構(gòu)的支座通常處于復(fù)雜的受力狀態(tài)[1-3],因而支座的受力性能及其設(shè)計與構(gòu)造等方面是目前的研究熱點(diǎn)。沈銀瀾等針對球型支座在水平力作用下轉(zhuǎn)動靈活性減弱的缺點(diǎn),提出了相應(yīng)的改進(jìn)方法,并對其進(jìn)行驗(yàn)算及相關(guān)試驗(yàn)[2];石開榮等對復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)球型鉸支座的壓轉(zhuǎn)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究和理論分析,并提出了軸壓荷載下支座的轉(zhuǎn)動剛度模型[3]。婁峰等對大噸位球型支座進(jìn)行了包括壓轉(zhuǎn)、壓剪及軸壓等受力狀態(tài)下的試驗(yàn)[4];李軍依據(jù)試驗(yàn)和有限元分析等手段合理設(shè)計了超大噸位的球型支座[5];裴薈蓉等提出可補(bǔ)充硅脂的球型鋼支座并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究[6];彭天波等開發(fā)了雙曲面球型減隔震支座[7];Burtscher等通過布置加強(qiáng)鋼板來構(gòu)成兩個主軸方向具有不同剪切剛度的高阻尼橡膠支座以用于結(jié)構(gòu)隔震[8];Markou等基于流體學(xué)模型,提出高阻尼橡膠支座的一系列一維力學(xué)模型,并推廣應(yīng)用到雙向水平運(yùn)動以及時變豎向荷載的工況[9]。
廣州白云國際機(jī)場T2航站樓采用了大噸位的球型鉸支座。不同荷載工況下,該支座既要承擔(dān)較大的豎向拉、壓荷載,還需抵抗一定水平荷載的能力,其設(shè)計及構(gòu)造較為復(fù)雜。為此,本文在支座轉(zhuǎn)動性能的研究基礎(chǔ)上[3],進(jìn)一步對其在軸壓荷載作用下的剪切性能進(jìn)行了理論分析及試驗(yàn)研究。
廣州白云國際機(jī)場T2航站樓(圖1)鋼屋蓋布置了兩種球型鉸支座,分別為DBQJZ-GD-3000(2000)-5C和DBQJZ-GD-5000(1000)-2C。本文以DBQJZ-GD-3000(2000)-5C球型鉸支座為研究對象,其構(gòu)造及尺寸等如圖2所示,支座抗壓、抗拔、水平承載力設(shè)計值分別為3 000,2 000,2 500 kN,允許位移轉(zhuǎn)角為0.02 rad。
圖1 廣州白云國際機(jī)場T2航站樓建筑效果Fig.1 The rendering of terminal T2 in Guangzhou Baiyun International Airport
1—側(cè)壁復(fù)合材料(SF-1); 2—頂板地面不銹鋼板(1Cr18Ni9Ti);3—傳力件(G20Mn5); 4—抗拔件(Q345B);5—上球鉸支撐件(Q345B); 6—底座(Q345B);7—支座殼體(G20Mn5QT); 8—抗拔件滑板(PTFE);9—傳力滑板(PTFE); 10—螺帽(G20Mn5QT);11—上球鉸支撐件滑板(PTFE); 12—底座滑板(PTFE);13—臨時固定裝置(Q235B)。圖2 復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)球型鉸支座剖面 mmFig.2 A vertical cross section of spherical hinged supports in the complex steel structure
首先對該球型鉸支座在軸壓荷載下的剪切性能進(jìn)行有限元模擬。
2.1.1模型建立與網(wǎng)格劃分
根據(jù)圖2基于ABAQUS建立支座幾何模型,選用C3D8I單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,其中支座主要部件采用掃略網(wǎng)格劃分方式,支座上下部墊板采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方式,網(wǎng)格密度為20~25 mm。依據(jù)支座的受力及構(gòu)造特點(diǎn),多個部件間存在接觸問題,切向接觸摩擦系數(shù)取為0.03[10],法向接觸為允許接觸后分離的硬接觸。
2.1.2材料參數(shù)
鋼材彈性模量為2.06×105MPa,泊松比為0.3,密度為7 850 kg/m3。依據(jù)《規(guī)范》[11-12],Q345B低合金鋼材的屈服強(qiáng)度為275 MPa,抗拉強(qiáng)度取450 MPa;G20Mn5鑄鋼的屈服強(qiáng)度為300 MPa,極限強(qiáng)度為480 MPa;G20Mn5QT鑄鋼的屈服強(qiáng)度為300 MPa,極限強(qiáng)度為500 MPa。鋼材本構(gòu)關(guān)系取雙折線模型,屈服后剛度折減為原剛度的2%[13],如圖3所示。采用SF-1或PTFE材料的部件通過改變接觸面的摩擦系數(shù)來體現(xiàn)。
圖3 鋼材的本構(gòu)模型Fig.3 The constitutive model of steel
2.1.3荷載及邊界條件
正式加載前先施加一微小的初始位移,使得部件間的接觸面處于初步接觸狀態(tài),以保證接觸分析的準(zhǔn)確性。然后按3.2節(jié)試驗(yàn)步驟施加荷載。支座頂板為加載面,支座底板為邊界條件約束面,約束三個方向位移。有限元模型如圖4所示。
a—三維立體; b—剖面。圖4 支座有限元模型Fig.4 The finite element model of supports
通過模擬分析可得到加載全過程的支座受力狀態(tài)及變形趨勢。軸壓荷載下隨著水平剪力的不斷增加,支座受剪過程如圖5所示。
a—施加軸力1 800 kN后,無水平剪力的狀態(tài); b—施加剪力300 kN后的狀態(tài); c—施加剪力1 500 kN后的狀態(tài); d—施加剪力2 700 kN后的狀態(tài); e—施加軸力至3 600 kN,且剪力達(dá)3 000 kN后的狀態(tài)。圖5 加載過程中支座的受力狀態(tài) MPaFig.5 Stress states of supports during loading
施加豎向軸壓荷載后支座頂部以及球鉸的底部應(yīng)力變化明顯,如圖5a所示;當(dāng)開始施加水平剪力時,支座各部件基本不發(fā)生明顯的變形,傳力件與球鉸右側(cè)出現(xiàn)壓應(yīng)力較大的區(qū)域,如圖5b所示;隨著水平剪力的增大,支座開始緩慢發(fā)生水平位移,并且由于豎向軸壓荷載的作用,也產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)動,支座頂部左側(cè)的應(yīng)力逐漸降低,如圖5c所示;隨著豎向軸力和水平剪力的增加,支座的傳力件與殼體內(nèi)側(cè)發(fā)生接觸并伴隨著較小的相對滑移,由此產(chǎn)生了新的傳力路徑,傳力件右側(cè)的應(yīng)力因此相應(yīng)降低,如圖5d所示;最后一級剪力施加前,軸壓荷載的增加,使得傳力件和球鉸的應(yīng)力突增且集中在右側(cè),如圖5e所示。
在有限元分析基礎(chǔ)上,對該球型鉸支座進(jìn)行足尺模型的壓剪性能試驗(yàn)研究。
本試驗(yàn)采用1∶1足尺原型支座試件,加載方式為:采用一臺千斤頂(1號)施加支座豎向荷載;采用另一臺千斤頂(2號)在水平方向上通過加載橫梁對支座試件施加水平荷載。建立三維模型以保證試件及加載千斤頂?shù)劝惭b定位的準(zhǔn)確,試驗(yàn)裝置如圖6所示。測點(diǎn)布置見圖7。
a—試驗(yàn)裝置立面,mm; b—試驗(yàn)裝置三維模型; c—試驗(yàn)裝置實(shí)物。1號千斤頂用于施加豎向壓力; 2號千斤頂用于施加水平剪力。圖6 試驗(yàn)裝置Fig.6 The test setup
圖7 測點(diǎn)布置Fig.7 Arrangements of measuring points
支座豎向試驗(yàn)荷載取抗壓承載力設(shè)計值的1.2倍,即3 600 kN。水平試驗(yàn)荷載取支座水平承載力設(shè)計值的1.2倍,即3 000 kN。具體試驗(yàn)步驟如下[14]:
1)按圖6、7對支座試件、試驗(yàn)設(shè)備及儀器進(jìn)行安裝固定。其中,1號千斤頂施加豎向壓力荷載,2號千斤頂施加水平荷載(水平剪力);通過位移及應(yīng)變系統(tǒng)測量支座試件的位移及應(yīng)變。
2)加載至水平承載力設(shè)計值的0.5%后,核對水平方向位移計及水平千斤頂數(shù)據(jù),確認(rèn)無誤后,進(jìn)行預(yù)載。
3)預(yù)載。1號千斤頂施加豎向荷載至試驗(yàn)荷載最大值的50%(1 800 kN),2號千斤頂施加至支座水平承載力設(shè)計值的20%(取500 kN),恒載3 min,卸載至0,停載3 min。重復(fù)上述預(yù)載試驗(yàn)共3次。
4)正式加載。先將水平試驗(yàn)荷載均勻分為10級,1號千斤頂施加豎向荷載至試驗(yàn)荷載的50%(1 800 kN);2號千斤頂以最大水平試驗(yàn)荷載的0.5%作為初始水平荷載,再逐級加載,每級荷載穩(wěn)壓2 min后采集并記錄相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù);待2號千斤頂達(dá)到試驗(yàn)荷載的90%后,1號千斤頂加至支座最大豎向試驗(yàn)荷載(3 600 kN),然后2號千斤頂加至最大試驗(yàn)荷載(3 000 kN),穩(wěn)壓3 min后卸載。加載過程連續(xù)進(jìn)行3次。
試驗(yàn)過程中,首先施加豎向荷載,到達(dá)預(yù)定值后保持穩(wěn)定,然后開始逐級施加水平荷載,水平位移計讀數(shù)隨著水平剪力的增加不斷增大。試驗(yàn)過程中支座未出現(xiàn)破壞或異常情況。
提取測點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與相應(yīng)有限元結(jié)果,繪制支座剪切性能的剪力-水平位移曲線,如圖8所示。
圖8 剪力-水平位移曲線Fig.8 Relations between shear forces and horizontal displacement
圖8中3次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)曲線可看出,支座水平剪切位移均隨著水平剪力的增大而增大,且基本呈線性關(guān)系,滿足GB/T 17955—2009《橋梁球型支座》[14]中荷載-水平變形曲線呈線性關(guān)系的規(guī)定;結(jié)合4.3節(jié)的應(yīng)力結(jié)果可知,加載過程中支座的變形處于彈性階段,未出現(xiàn)局部破壞現(xiàn)象。進(jìn)一步與有限元模擬結(jié)果進(jìn)行對比,3次試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果吻合也較好,且發(fā)展趨勢一致,表明試驗(yàn)數(shù)據(jù)合理有效,能反映節(jié)點(diǎn)實(shí)際受力性能。
類似地,提取試驗(yàn)數(shù)據(jù)和有限元結(jié)果,得到支座中心點(diǎn)的豎向位移,試驗(yàn)最終的支座中心點(diǎn)豎向位移對比如表1所示。
表1 支座中心點(diǎn)的豎向位移Table 1 Vertical displacement of the central point of the support
支座中心點(diǎn)豎向位移D,向上為正,向下為負(fù);誤差e是試驗(yàn)值與模擬值的差值占模擬值的百分比。
從三次試驗(yàn)值與模擬值的數(shù)值來看,支座中心點(diǎn)的豎向位移均較小,從差值百分比來看,試驗(yàn)值與模擬值較為吻合。
選取支座傳力件上的關(guān)鍵測點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元結(jié)果進(jìn)行對比,測點(diǎn)應(yīng)變值為von Mises等效應(yīng)力,如圖9所示??砂l(fā)現(xiàn),對于5、7兩個測點(diǎn)(對應(yīng)圖7中的應(yīng)變花5、7),試驗(yàn)曲線與模擬曲線的發(fā)展趨勢基本一致,均為單調(diào)增長,在施加完全部的軸力及最后一級剪力荷載后,應(yīng)力發(fā)生突增,這是由于軸力從1 800 kN大幅度增加到3 600 kN而產(chǎn)生的。另一方面,由圖中應(yīng)力變化曲線可看出理論模擬結(jié)果與部分實(shí)測數(shù)據(jù)略有偏離,經(jīng)分析:由于該球型支座節(jié)點(diǎn)組成部件較多,構(gòu)造復(fù)雜(圖2),在加載全過程中節(jié)點(diǎn)受力變化規(guī)律也很復(fù)雜,實(shí)際試驗(yàn)加載過程和有限元分析模擬中均涉及到接觸非線性問題,支座節(jié)點(diǎn)部件間會產(chǎn)生相互錯動、滑移摩擦、分離甚至嵌入等復(fù)雜現(xiàn)象,從而加大了精細(xì)化模擬分析的難度并引起局部偏差。但圖中結(jié)果表明:有限元分析仍可較好地反映支座節(jié)點(diǎn)實(shí)際加載過程的受力行為。
a—傳力件上測點(diǎn)5; b—傳力件上測點(diǎn)7。圖9 關(guān)鍵測點(diǎn)應(yīng)力變化Fig.9 Changes of stress at critical measuring points
根據(jù)圖8中支座的剪力-水平位移曲線基本為直線,因此可將支座的剪力-水平位移曲線簡化為線性模型。對3次試驗(yàn)的剪力-水平位移數(shù)據(jù)點(diǎn)及有限元模擬所得的數(shù)據(jù)點(diǎn),采用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,得到的曲線如圖10所示。
圖10 剪力-水平位移簡化曲線Fig.10 Fitting curves between shear forces and horizontal displacement
從圖10可知,擬合曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)、數(shù)值模擬結(jié)果基本重合,支座剪切剛度為770 kN/mm,壓剪狀態(tài)下所擬合的支座剪切剛度模型可由式(1)表示。
F=770d
(1)
式中:F為水平方向的剪力,kN;d為水平位移,mm。
對廣州白云國際機(jī)場T2航站樓大噸位復(fù)雜球型鉸支座進(jìn)行了軸壓荷載下的剪切性能有限元模擬分析和足尺試驗(yàn)研究,得出結(jié)論:
1) 支座變形及應(yīng)力的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及發(fā)展趨勢與有限元結(jié)果基本相符,測點(diǎn)應(yīng)力均低于鋼材屈服強(qiáng)度且富余較大。
2) 支座水平位移隨著水平剪力的增大而增大,且兩者基本呈線性關(guān)系,其剪切性能可滿足要求。
3) 基于整體結(jié)構(gòu)精細(xì)化分析的目的,提出了支座軸壓荷載下的擬合剪切剛度模型。