王鵬月,孫 強,謝 堅

(1.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,安徽 合肥 230601;2.中建材(合肥)鋼構(gòu)科技有限公司,安徽 合肥 230022)

二十世紀以來,空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)因具有良好的受力性能和方便快捷的施工方法得到了飛速發(fā)展,其結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計理論也在不斷創(chuàng)新。熟料庫是水泥廠的重要儲存庫,其屋蓋體系常采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu),隨著水泥熟料產(chǎn)量增加,熟料庫儲存量和跨度不斷增加,在“碳達峰、碳中和”目標(biāo)下,熟料庫網(wǎng)架結(jié)構(gòu)迎來了技術(shù)革新,迫使熟料庫網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計水平亟需提升。

現(xiàn)已有不少國內(nèi)外學(xué)者對熟料庫網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和螺栓球節(jié)點的力學(xué)性能進行了研究,余貞江等[1]通過對φ60 m水泥熟料庫網(wǎng)架的靜、動態(tài)特性分析,探討了拉鏈機和設(shè)備以及溫度荷載對網(wǎng)架的影響。朱玉林等[2]對熟料庫網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進行改良,提出了一種焊栓結(jié)合的網(wǎng)架形式,在支座處使用焊接球,避免了大直徑螺栓的使用,同時降低了造價。洪琨[3]等利用SAP2000對φ60 m的熟料庫網(wǎng)架進行靜力性能分析,結(jié)果表明,恒荷載和溫度荷載對網(wǎng)架的影響較大,各種工況下網(wǎng)架的撓度均滿足規(guī)范要求。喻曉晨等[4]利用Abaqus研究了螺栓球節(jié)點的靜力和滯回性能,研究表明:節(jié)點受壓時,套筒承受主要壓力,受拉時錐頭和螺桿受力較大,同時節(jié)點具有較好的延性和抗震性能。閆崴等[5]利用有限元軟件建立了鋁合金螺栓球精細化模型,研究了鋁合金螺栓球節(jié)點螺紋軸向力的分布特性,結(jié)果表明:螺栓球的材料和螺栓擰入深度對結(jié)果影響較大,并推導(dǎo)了節(jié)點螺紋軸向力分布的計算公式。Qinghong S等[6]通過試驗和對含螺紋裂紋擴展的螺栓球節(jié)點的彎曲斷裂行為進行了研究,結(jié)果表明:螺紋的最大應(yīng)力發(fā)生在與螺栓球相同的位置,大小隨著螺紋半徑的增加而降低,并提出了一種新的螺栓球斷裂段抗彎承載力公式。

目前,對于熟料庫網(wǎng)架的研究大多數(shù)是對網(wǎng)架整體的力學(xué)特性進行分析,針對熟料庫網(wǎng)架力學(xué)性能改良的研究較少,因此結(jié)合具體工程,研究熟料庫網(wǎng)架的力學(xué)性能改良是很有必要的。本文以合肥南方水泥熟料庫網(wǎng)架為研究對象,提出了一種新型螺栓球-H型鋼梁網(wǎng)架,并用有限元軟件Abaqus建立了不同參數(shù)的新型螺栓球-H型鋼梁網(wǎng)架節(jié)點模型,研究了節(jié)點在受拉、受壓和受彎狀態(tài)下力學(xué)性能。

1 新型螺栓球-H型鋼梁節(jié)點設(shè)計

1.1 節(jié)點構(gòu)造

南方水泥熟料庫屋蓋系統(tǒng)為圓臺面螺栓球鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu),其圓臺面為庫頂房的平臺基礎(chǔ),承擔(dān)了拉鏈機、收塵器等設(shè)備的荷載。庫頂房平臺網(wǎng)架為正放雙層四角錐網(wǎng)架,其上弦構(gòu)造是在網(wǎng)架上弦螺栓球上焊接支托,再在支托上架設(shè)H型鋼梁,H型鋼梁上鋪設(shè)屋面板和混凝土層,因此上部荷載較大。這種結(jié)構(gòu)形式不僅增加了用鋼量,而且增加了施工難度和周期。為克服上述問題,提出了一種新型螺栓球-H型鋼梁網(wǎng)架,省去了網(wǎng)架上弦桿和支托,傳統(tǒng)網(wǎng)架和新型網(wǎng)架構(gòu)造如圖1和圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)網(wǎng)架上弦構(gòu)造

圖2 新型螺栓球-H型鋼梁網(wǎng)架上弦構(gòu)造

新型螺栓球-H型鋼梁節(jié)點由螺栓球半球、空心圓柱體、節(jié)點板、連接板、高強螺栓和H型鋼梁組成,如圖3所示。螺栓半球可由傳統(tǒng)螺栓球切割得到,其構(gòu)造和傳統(tǒng)螺栓球一樣,球上開孔,通過高強螺栓和桿件連接,螺栓半球和空心圓柱體焊接,在空心圓柱體周圍焊接節(jié)點板,H型鋼梁腹板開孔通過高強螺栓和節(jié)點板連接,為提高節(jié)點剛度和承載力,H型鋼梁的上下翼緣通過連接板和圓柱體焊接。新型節(jié)點形式的網(wǎng)架省去了網(wǎng)架的上弦桿和支托,節(jié)省了鋼材,施工無需搭設(shè)檁托和檁條,降底了施工難度。

圖3 新型螺栓球-H型鋼梁網(wǎng)架節(jié)點構(gòu)造

1.2 幾何尺寸

為研究節(jié)點的受力性能,以圓柱體厚度,節(jié)點板厚度和高強螺栓個數(shù)為變參,建立4個節(jié)點模型,變參具體尺寸見表1。螺栓半球φ為220 mm,H型鋼梁截面尺寸為300×200×10×14,長度為400 mm,高強螺栓型號均為M20,性能等級為10.9級,為加載方便,在鋼梁端部設(shè)置加載板,加載板尺寸為350×250×20。節(jié)點受壓、受拉和受彎均以這4組模型進行研究。

表1 模型變參幾何尺寸

2 有限元模型的建立

2.1 單元類型及本構(gòu)關(guān)系

采用有限元軟件Abaqus進行建模,模型構(gòu)件均采用8節(jié)點六面體減縮積分實體單元C3D8R。鋼材材料均為Q235B,采用雙折線本構(gòu)關(guān)系,如圖4所示。鋼材屈服強度、抗拉強度和塑性應(yīng)變等參數(shù)根據(jù)文獻[7]中的材性試驗取值,泊松比為0.3,高強螺栓的本構(gòu)關(guān)系取理想彈塑性模型,10.9級高強螺栓其屈服強度為900 MPa。

圖4 鋼材的本構(gòu)曲線

2.2 網(wǎng)格劃分及接觸設(shè)置

模型各個構(gòu)件較為規(guī)則,可通過拆分幾何元素命令將各個部件進行拆分,網(wǎng)格類型均為六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。節(jié)點板和鋼梁腹板、高強螺栓螺帽和節(jié)點板、高強螺栓螺桿和節(jié)點板之間采用表面與表面接觸,切向行為定義為罰函數(shù)摩擦模型,摩擦系數(shù)為0.15,法線行為定義為硬接觸;螺栓球半球和圓柱體、圓柱體和節(jié)點板、圓柱體和連接板之間采用“Tie”綁定約束。

2.3 加載方式及邊界條件

模型共設(shè)置了3個分析步驟:① 施加螺栓荷載,模擬螺栓預(yù)緊力,查閱規(guī)范[8]知M20高強螺栓的預(yù)緊力為150 kN;② 固定螺栓當(dāng)前長度;③ 在模擬節(jié)點受拉和受壓時,對一側(cè)鋼梁施加相應(yīng)X方向的位移,另一側(cè)鋼梁完全固定;在模擬節(jié)點受彎時,兩側(cè)鋼梁加載板完全固定,在螺栓半球上施加Z負方向的位移。為方便施加荷載,在兩側(cè)鋼梁端部設(shè)置加載板,有限元模型如圖5所示。

圖5 節(jié)點有限元模型

3 結(jié)果分析

3.1 節(jié)點失效準(zhǔn)則

由模擬結(jié)果可知,該節(jié)點在受壓、受拉和受彎作用下,其荷載-位移曲線沒有明顯的屈服點和加載后期的下降段,將節(jié)點的抗壓、抗拉、抗彎剛度降低為初始剛度Ki的95%后的點作為節(jié)點的屈服點,將抗拉、抗壓、抗彎剛度降低為初始剛度Ki的10%的點作為節(jié)點的極限承載力點[9]。

3.2 節(jié)點受壓

3.2.1 節(jié)點受壓荷載-位移曲線

為了研究節(jié)點在受壓狀態(tài)下的力學(xué)性能,對梁端加載點處的荷載-位移曲線進行分析,如圖6所示。從圖中可以看出,4組節(jié)點的荷載-位移曲線有著相同的走勢,節(jié)點具有很強的抗壓性能。在彈性階段,節(jié)點的載荷-位移曲線呈現(xiàn)出線性關(guān)系,位移隨著載荷均勻地增加。而隨著載荷的增大,載荷-位移曲線的斜率逐漸下降,節(jié)點進入彈塑性階段,節(jié)點的抗壓剛度也逐漸降低。由變參結(jié)果可知,增加圓柱體厚度、節(jié)點板厚度和頂板厚度均可提高節(jié)點的抗壓剛度和抗壓承載力。其中,增加圓柱體厚度最為明顯,其抗壓剛度和極限承載力最大,抗壓屈服荷載和極限承載力分別為1 478和2 270 kN,極限承載力較第一組增加了22.7%。由此可知圓柱體的厚度對節(jié)點的抗壓性能有較大影響;其次是增加頂板厚度,極限承載力較第一組增加了12.4%,增加節(jié)點板厚度對節(jié)點的抗壓性能影響不大。

圖6 節(jié)點受壓荷載-位移曲線

(a) 彈性階段應(yīng)力云圖

3.2.2 節(jié)點受壓受力分析

以第一組節(jié)點為例,從彈性階段,彈塑性階段和加載后期3個時期的應(yīng)力云圖來分析節(jié)點受壓的受力特點,如7圖所示。從圖中可以看出,在彈性階段,各構(gòu)件應(yīng)力水平較低,最大應(yīng)力在高強螺栓處,為639.8 MPa。連接板和圓柱體連接處以及圓柱體頂板受力較為明顯,承擔(dān)主要壓力;隨著荷載的增加,連接板和圓柱體上下連接處表面先發(fā)生屈服,形成塑性鉸,隨后鋼梁上翼緣也進入屈服,節(jié)點板與圓柱體接觸面上下兩端受力較大,但未達到屈服;進入加載后期,頂板和連接板基本全部屈服,頂板發(fā)生擠壓變形,圓柱體表面的塑性區(qū)域逐漸擴大,上下兩端壓縮變形,節(jié)點板連接處也受壓屈服,隨著圓柱體和頂板擠壓變形較大,節(jié)點失去承載能力。

3.3 節(jié)點受拉

3.3.1 節(jié)點受拉荷載-位移曲線

取梁端加載點處的荷載-位移曲線進行分析,如圖8所示。從圖中可以看出,4組節(jié)點受拉的荷載-位移曲線趨勢相同。在彈性階段,位移隨著荷載均勻增加;隨著荷載的增加,構(gòu)件達到抗拉屈服強度,剛度逐漸降低,節(jié)點進入彈塑性階段,荷載-位移曲線斜率逐漸降低。從變參結(jié)果來看,增加圓柱體厚度對增加節(jié)點抗拉剛度和承載力最為明顯,其抗拉屈服荷載和極限承載力分別為1 463和2 230 kN,極限承載力較第一組增加了16.2%;其次是增加頂板的厚度,極限承載力較第一組增加了13.9%,增加節(jié)點板厚度對節(jié)點的抗拉性能影響不大。

3.3.2 節(jié)點受拉受力分析

以第一組節(jié)點受拉為例,從彈性階段,彈塑性階段和加載后期3個時期的應(yīng)力云圖來分析節(jié)點受壓的受力特點,如圖9所示。從圖中可以看出,在彈性階段,拉力主要有鋼梁上下翼緣承擔(dān),連接板與圓柱體連接處受拉力較大,節(jié)點板處受力較小;隨著拉力的增加,下連接板處先達到屈服強度,隨后上連接板也達到屈服,圓柱體下部與連接板連接處應(yīng)力水平較大,形成塑性鉸;鋼梁上下翼緣的兩端即將達到屈服強度,腹板和節(jié)點板受力較小,仍處于彈性階段,圓柱體頂板已經(jīng)幾乎全截面屈服,節(jié)點的抗拉剛度逐漸降低,節(jié)點進入彈塑性階段;荷載進一步增加,上下連接板和頂板均已全截面屈服,圓柱體表面塑性范圍進一步擴大,節(jié)點板連接處應(yīng)力水平最大,上端已經(jīng)屈服,由于模型對于焊縫采用綁定的接觸,無法看到焊縫拉斷的現(xiàn)象,但可以從應(yīng)力云圖中看到材料達到極限應(yīng)力的狀態(tài),可以判斷節(jié)點的破壞模式為連接板和圓柱體連接焊縫處被拉斷,節(jié)點失去承載能力。

(a) 彈性階段應(yīng)力云圖

3.4 節(jié)點受彎

3.4.1 節(jié)點受彎荷載-位移曲線

為研究節(jié)點的受彎性能,將兩端鋼梁完全固定,在螺栓球半球上施加Z軸負方向的位移,模擬節(jié)點受彎,提取加載點的荷載-位移曲線進行分析,如圖10所示。從圖中可以看出,在彈性階段,荷載-位移曲線呈線性上升,節(jié)點有著較大的抗彎剛度,隨著荷載的增加,曲線的斜率逐漸降低,節(jié)點進入彈塑性階段,位移變化加快,抗彎剛度逐漸降低。和第一組相比,其余3組節(jié)點的初始抗彎剛度和極限承載力均有所提高,其中第二組增加圓柱體厚度對節(jié)點的受彎性能影響最大,其屈服荷載和極限承載力分別為767和1 094 kN,比第一組分別提高了12.8%和6.2%;其次是第三組增加節(jié)點板的厚度,其屈服荷載和極限承載力分別為733和1 070 kN,比第一組分別提高了7.8%和3.9%,改變頂板厚度對節(jié)點的受彎性能影響不大。

圖10 節(jié)點受彎荷載-位移曲線

3.4.2 節(jié)點受彎受力分析

以第一組節(jié)點受彎為例,從彈性階段,彈塑性階段和加載后期3個時期的應(yīng)力云圖來分析節(jié)點受彎的受力特點,如圖11所示。從圖中可以看出,在彈性階段,鋼梁腹板應(yīng)力水平較大,明顯高于鋼梁翼緣,上下連接板與圓柱體連接處受力較大,節(jié)點板下端受較大的壓力。隨著荷載增加,節(jié)點板下端與圓柱體連接受壓處先達到屈服,隨后鋼梁腹板與下連接板連接處也達到屈服,鋼梁腹板應(yīng)力水平進一步提高。彎矩作用下,高強螺栓受到剪力,切應(yīng)力逐漸增大,圓柱體上部受拉,下部受壓,但仍未屈服。到加載后期,鋼梁腹板全截面屈服,節(jié)點板屈服面積增大,節(jié)點板內(nèi)側(cè)螺栓孔處受拉屈服,上連接板和頂板受拉,下連接板受壓,均達到全截面屈服,高強螺栓也達到屈服應(yīng)力,圓柱體受到節(jié)點板擠壓,發(fā)生壓縮變形。隨著荷載的增加,變形進一步變大,節(jié)點受彎破壞。

4 結(jié)論

1) 節(jié)點在受壓作用時,圓柱體厚度、節(jié)點板厚度和圓柱體厚度均對節(jié)點承載力有影響,圓柱體厚度影響最大,厚度增加4 mm,其抗壓承載力提高了22.7%,節(jié)點受壓時,圓柱體和頂板會發(fā)生較大的壓縮變形,導(dǎo)致節(jié)點破壞。

2) 節(jié)點在受拉作用時,圓柱體厚度、節(jié)點板厚度和頂板厚度對節(jié)點的剛度和承載力影響不大,連接板和圓柱體連接焊縫處最先達到屈服,焊縫質(zhì)量是受拉承載力的關(guān)鍵。

3) 節(jié)點在受彎作用時,圓柱體厚度、節(jié)點板厚度和頂板厚度的增加會增加節(jié)點的抗彎剛度和極限承載力,圓柱體厚度影響最大,厚度增加4 mm,其承載力提高了6.2%,改變頂板厚度對節(jié)點的受彎性能影響不大,加載后期圓柱體下部受壓發(fā)生壓縮變形,節(jié)點破壞。

4) 新型螺栓球-H型鋼梁網(wǎng)架節(jié)點均具有較高的抗壓、抗拉和抗彎承載力,可以滿足熟料庫網(wǎng)架的設(shè)計荷載要求。