彭俊

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063）

1 工程概況

襄陽東站 （原名襄陽東津站） 屋蓋南北向 （垂軌向）長358 m、東西向（順軌向）長124～178 m、屋蓋整體不設(shè)變形縫，東西向最大跨度86 m、南北向最大懸挑約30 m[1]，襄陽東站實(shí)景如圖1 所示。 屋蓋采用鋼管混凝土柱支承四角錐鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，在南、北兩端區(qū)域采用二分叉柱及三分叉柱支承屋蓋以減小屋蓋懸挑長度，鋼屋蓋結(jié)構(gòu)三維模型如圖2 所示。 考慮到建筑美觀要求及受力復(fù)雜等因素，柱分叉節(jié)點(diǎn)采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)。

圖1 襄陽東站實(shí)景圖

圖2 鋼屋蓋結(jié)構(gòu)三維模型圖

2 柱分叉鑄鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

柱二分叉節(jié)點(diǎn)及柱三分叉節(jié)點(diǎn)如圖3 所示，柱分叉節(jié)點(diǎn)中1 桿外徑1 500 mm，2 桿、3 桿、4 桿在根部位置外徑1 400 mm。鑄管的壁厚結(jié)合受力需要及鑄造工藝的構(gòu)造要求確定。

圖3 柱二分叉節(jié)點(diǎn)及柱三分叉節(jié)點(diǎn)

鋼管材質(zhì)為Q345GJC， 鑄鋼件材質(zhì)選用適于復(fù)雜受力狀態(tài)的G20Mn5N，鑄鋼件壁厚根據(jù)與之對接相連的鋼管截面特性和鑄造工藝要求確定， 鑄鋼件與鋼管對接焊連接處考慮壁厚差的影響設(shè)置企口構(gòu)造以提高連接承載力， 鑄鋼節(jié)點(diǎn)內(nèi)設(shè)置肋環(huán)進(jìn)行加強(qiáng)，鑄鋼節(jié)點(diǎn)剖面大樣如圖4 所示。

圖4 鑄鋼節(jié)點(diǎn)剖面大樣圖（單位：mm）

3 鑄鋼節(jié)點(diǎn)加載試驗(yàn)

JGJ/T 395—2017《鑄鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]規(guī)定：試驗(yàn)宜采用足尺試件，當(dāng)試驗(yàn)設(shè)備無法滿足時(shí)，可采用縮尺試件，縮尺比例不宜小于1/2。 結(jié)合試驗(yàn)室的最大加載能力和柱分叉節(jié)點(diǎn)的受力情況， 選取典型的柱二分叉節(jié)點(diǎn)及柱三分叉節(jié)點(diǎn)， 采用1/2 縮尺試件進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，通過試驗(yàn)現(xiàn)象、荷載應(yīng)變曲線及荷載位移曲線研究節(jié)點(diǎn)的彈塑性發(fā)展情況， 對節(jié)點(diǎn)受力性能進(jìn)行評估[3-7]。

3.1 加載裝置

反力架采用大噸位球形反力架， 其內(nèi)部凈空直徑為6 m，最大承載力為3×104kN。 試驗(yàn)試件在反力架中通過千斤頂進(jìn)行加載。 柱二分叉節(jié)點(diǎn)試件及柱三分叉節(jié)點(diǎn)試件在球形反力架中安裝完成狀態(tài)如圖5 所示。

圖5 柱分叉節(jié)點(diǎn)試件在球形反力架中安裝完成狀態(tài)

3.2 加載方案

柱二分叉鑄鋼節(jié)點(diǎn)試件加載方案、 試驗(yàn)現(xiàn)象及受力性能等均與柱三分叉鑄鋼節(jié)點(diǎn)試件加載試驗(yàn)類似， 本文主要針對柱三分叉鑄鋼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)及有限元分析研究。

為檢驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的極限承載能力，對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，對柱三分叉鑄鋼節(jié)點(diǎn)試件加載到設(shè)計(jì)荷載的3.5 倍。加載時(shí)，各加載點(diǎn)同步進(jìn)行加載，試驗(yàn)荷載采用分級加載，由0 至最大加載力均分為35 級，每級荷載穩(wěn)壓2 min 后讀取應(yīng)變片、位移計(jì)的讀數(shù)，直至加載破壞或達(dá)到最大加載力，此時(shí)穩(wěn)壓3 min 后卸載。

首先根據(jù)反力架現(xiàn)場配置確定各桿件長度， 與鑄鋼節(jié)點(diǎn)相連的接長鋼管依據(jù)施工圖紙進(jìn)行配置， 然后結(jié)合桿件內(nèi)力設(shè)計(jì)值、 千斤頂量程及油泵連接方案來確定節(jié)點(diǎn)試件各桿件的試驗(yàn)荷載。 本試驗(yàn)中將1 號桿件端部作為固定端，對2 號、3 號、4 號桿件端部進(jìn)行加載， 加載方案中忽略較小的剪力和彎矩，考慮到扭矩較小，其對圓管的受力影響也可忽略不計(jì)，桿端彎矩通過軸力偏心和剪力來施加。

表1 給出了節(jié)點(diǎn)試件的各桿件在1 倍荷載設(shè)計(jì)值試驗(yàn)加載下計(jì)算得出的各桿件桿端軸力、剪力、扭矩及彎矩，與理論計(jì)算偏差均在5%以內(nèi)，試驗(yàn)加載方案合理。

表1 1 倍荷載設(shè)計(jì)值加載下節(jié)點(diǎn)中心處各桿件端內(nèi)力

試驗(yàn)過程中采用應(yīng)變片測量各桿件外表面應(yīng)變和節(jié)點(diǎn)中心應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)變，采用位移計(jì)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)中心和桿端位移。桿件外表面的應(yīng)變片采用單向應(yīng)變片，安裝于距離端板200 mm的截面處，每根圓管桿件在同一截面上均勻布置4 個(gè)應(yīng)變片，如圖6 所示，圖6 中為應(yīng)變片，共布置單向應(yīng)變片12 處。 節(jié)點(diǎn)中心區(qū)域和應(yīng)力較大區(qū)域采用三向應(yīng)變花進(jìn)行監(jiān)測， 圖7為應(yīng)變花布置示意圖，共13 處。 在節(jié)點(diǎn)中心區(qū)域設(shè)置位移計(jì)，用于監(jiān)測節(jié)點(diǎn)中心位移， 在桿件端部沿局部坐標(biāo)軸3 個(gè)方向各布置1 枚位移計(jì)用于監(jiān)測桿端位移。

圖6 單向應(yīng)變片布置示意圖

圖7 三向應(yīng)變花布置

3.3 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果

試件安裝完成后現(xiàn)場照如圖5b 所示， 當(dāng)加載至第23 級荷載（2.3 倍荷載設(shè)計(jì)值）時(shí)，3 號桿件由于彎矩過大，一側(cè)壓應(yīng)變達(dá)到-1 816 με，大于屈服應(yīng)變εy，局部出現(xiàn)塑性。 2 號、4 號加載桿件的應(yīng)變均小于屈服應(yīng)變εy，處于彈性范圍內(nèi)。 作為固定端的1 號桿，此時(shí)截面平均微應(yīng)變?yōu)?273 με，處于彈性范圍內(nèi)。 從開始加載直至第23 級加載，節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)變線性增加，應(yīng)變最大的3 個(gè)測點(diǎn)為T14、T62 和T51，T14 測點(diǎn)應(yīng)變?yōu)?67 με，T62 測點(diǎn)應(yīng)變?yōu)?73 με，T51 測點(diǎn)應(yīng)變?yōu)?84 με，節(jié)點(diǎn)域仍處于彈性范圍內(nèi)。 各位移計(jì)讀數(shù)仍然較小， 均在0～9.2 mm 范圍內(nèi)， 其中節(jié)點(diǎn)中心沿1 號桿件軸向位移為1.0 mm，側(cè)向位移4.7 mm，豎向位移3.1 mm。

當(dāng)荷載加載至第35 級（3.5 倍荷載設(shè)計(jì)值）時(shí)，因3 號桿件端部轉(zhuǎn)接件與球形反力架連接處受拉螺栓承載力不足而終止試驗(yàn)，試件整體未見明顯變形。 隨著荷載分級增加，各桿件的應(yīng)變逐步增加， 當(dāng)荷載加載至第35 級時(shí)，1 號桿件的最大應(yīng)變達(dá)到了-830 με，平均應(yīng)變?yōu)?424 με，仍在彈性范圍內(nèi)；2 號桿件一側(cè)的應(yīng)變達(dá)到了-2 030 με，塑性程度較低，另外三側(cè)的應(yīng)變均不超過-830 με，仍在彈性范圍內(nèi)；3 號桿件一側(cè)的應(yīng)變達(dá)到了-5 723 με，塑性較大；另外三側(cè)的應(yīng)變均不超過528 με，仍在彈性范圍內(nèi)；桿件的最大應(yīng)變達(dá)到了-652 με，平均應(yīng)變?yōu)?68 με，仍在彈性范圍內(nèi)。1～4 號桿荷載級數(shù)-應(yīng)變曲線如圖8 所示。

圖8 1～4 號桿荷載級數(shù)- 應(yīng)變曲線

節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)變隨加載線性增加，當(dāng)加載至第35 級時(shí)，應(yīng)變最大的3 個(gè)測點(diǎn)為T14、T62 和T51，T14 測點(diǎn)應(yīng)變?yōu)? 022 με，T62 測點(diǎn)應(yīng)變?yōu)?99 με，T51 測點(diǎn)應(yīng)變?yōu)?50 με，節(jié)點(diǎn)域仍處于彈性范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)域應(yīng)變花荷載級數(shù)-應(yīng)變曲線如圖9 所示。 各位移計(jì)讀數(shù)仍然較小，均在0～11.9 mm 范圍內(nèi)；其中節(jié)點(diǎn)中心沿1 號桿件軸向位移1.7 mm，側(cè)向位移8.7 mm，豎向位移3.9 mm，節(jié)點(diǎn)整體變形很小，節(jié)點(diǎn)荷載級數(shù)-位移曲線如圖10 所示。

圖9 節(jié)點(diǎn)域應(yīng)變花荷載級數(shù)- 應(yīng)變曲線

圖10 節(jié)點(diǎn)荷載級數(shù)- 位移曲線

卸載后觀察試件發(fā)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)域未發(fā)生明顯變形，各根桿件也均未發(fā)生明顯變形，如圖11 所示。

圖11 卸載后的柱三分叉鑄鋼節(jié)點(diǎn)試件照片

4 柱三分叉鑄鋼節(jié)點(diǎn)有限元對比分析

4.1 材性試驗(yàn)

為得到準(zhǔn)確的材料特性， 對節(jié)點(diǎn)的鑄鋼件和連接鋼管分別進(jìn)行了材料拉伸試驗(yàn)，各制作拉伸試樣3 個(gè)，所有試驗(yàn)均在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。 根據(jù)實(shí)測應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)得到的鋼管和鑄鋼材料的力學(xué)性能指標(biāo)見表2。

表2 材料拉伸試驗(yàn)的力學(xué)性能指標(biāo)實(shí)測值MPa

4.2 有限元分析模型

采用通用有限元軟件ABAQUS 對柱三分叉鑄鋼節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)進(jìn)行仿真分析，有限元模型選用四面體C3D10 單元，鑄鋼和鋼材均采用材性試驗(yàn)結(jié)果， 有限元模型中材料本構(gòu)關(guān)系采用雙折線模型， 輸入的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度采用表2 中的平均值，彈性模量取200 GPa，泊松比取0.3。在節(jié)點(diǎn)有限元模型中，對1 號桿桿端施加固定約束， 其余桿件端部建立與SAP 2000整體分析模型中相同的局部坐標(biāo)系， 設(shè)置參考點(diǎn)與桿件截面耦合，在參考點(diǎn)處施加荷載。

4.3 有限元對比分析

3.5 倍設(shè)計(jì)荷載下有限元模型的計(jì)算結(jié)果如圖12 所示。由圖12 可知，在3.5 倍設(shè)計(jì)荷載下，節(jié)點(diǎn)最大Mises 應(yīng)力約為528 MPa，節(jié)點(diǎn)中心域完全在彈性范圍內(nèi)，但是3 號桿的接長管靠近焊縫的區(qū)域部分進(jìn)入塑性。 這與試驗(yàn)荷載下的結(jié)果較為吻合。 此時(shí)節(jié)點(diǎn)的最大空間位移約為13 mm。

圖12 3.5 倍設(shè)計(jì)荷載下的應(yīng)力云圖及位移云圖

按照設(shè)計(jì)荷載比例繼續(xù)加載，當(dāng)加到3.65 倍設(shè)計(jì)荷載時(shí)，節(jié)點(diǎn)破壞。 有限元模型的計(jì)算結(jié)果如圖13 所示。 由圖13 可知，在3.65 倍設(shè)計(jì)荷載下，節(jié)點(diǎn)最大Mises 應(yīng)力約為528 MPa，此時(shí)節(jié)點(diǎn)的最大空間位移約為43 mm， 因2 號桿件及3 號桿件的桿端塑性變形過大而發(fā)生節(jié)點(diǎn)破壞。

圖13 鑄鋼節(jié)點(diǎn)破壞時(shí)的應(yīng)力云圖及位移云圖

節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)和有限元分析結(jié)果表明， 該鑄鋼節(jié)點(diǎn)具有良好的受力性能，連接于鑄鋼件上的鋼管先于鑄鋼件進(jìn)入塑性，符合強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的受力特征。 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)鑄鋼件及鋼管材性依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范取值， 而根據(jù)力學(xué)材性試驗(yàn)結(jié)果G20Mn5N 實(shí)際屈服強(qiáng)度達(dá)到389 MPa 相比設(shè)計(jì)屈服強(qiáng)度300 MPa 增幅達(dá)30%，節(jié)點(diǎn)承載力有較大安全儲備。

5 結(jié)論

1）節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬結(jié)果表明柱三分叉鑄鋼節(jié)點(diǎn)的極限承載力可達(dá)到3.5 倍荷載設(shè)計(jì)值，由此說明襄陽東站柱分叉鑄鋼節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)安全、合理，能夠滿足承載能力要求，且有一定的安全裕量。

2）通過在鑄鋼件內(nèi)部設(shè)置肋環(huán)，有效提高了鑄鋼件剛度和顯著降低了鑄鋼件應(yīng)力水平， 避免了薄弱部位出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)區(qū)及連接焊縫上的情況，滿足強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件、強(qiáng)連接弱構(gòu)件的設(shè)計(jì)原則。

3）有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合，說明采用通用有限元分析軟件對柱分叉鑄鋼節(jié)點(diǎn)的安全性能進(jìn)行評估是一種有效、可行的方法，可以為鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。