大型鑄鋼節點加載試驗研究

錢利鋒 周益君 關富玲

(1.浙江綠城六和建筑設計有限公司，浙江杭州 310027;2.浙江大學建筑工程學院，浙江杭州 310058)

0 引言

對于鑄鋼節點國內目前沒有成熟的設計方法，對此類節點主要進行荷載試驗來檢驗其受力性能［1，2］。但一般試驗只能測量到節點外表面的應力狀態，對節點內部應力狀況無法測試，需要通過鑄鋼節點表面現場測試和有限元分析比較，相互印證，以有限元分析的結果來推斷整個鑄鋼節點內部的應力狀況。例如上海南站無柱雨棚鑄鋼節點［3］、南京奧體中心體育場鋼屋蓋主拱鑄鋼節點［4］、蘇州博物館多桿相交鑄鋼節點［5］等典型的工程均運用試驗研究和理論分析相結合的方法來測試節點的受力性能、加工工藝和承載能力。

位于富春江邊上的桐廬勵駿酒店是超五星級設計，結構形式為鋼框架，建筑高度138 m(見圖1)。入口大堂存在巨大懸挑達30 m(見圖2)，支撐懸挑部分的節點采用鑄鋼節點。鑄鋼節點體型巨大，受力復雜，又處于至關重要的位置，其可靠性直接影響結構的安全。

現選取其中一個節點進行試驗分析，對節點應力等效，簡化為軸向加載方式，通過試驗結果和理論分析結果比較，準確了解該鑄鋼節點的承載性能。

圖1 桐廬勵駿酒店

圖2 入口大堂懸挑結構

1 節點描述及等效方案

試驗選取編號為ZG-55的鑄鋼件進行靜力荷載試驗，節點材料為德標低合金鑄鋼G20Mn5，自重10.224 t，節點的幾何尺寸見表1，三維模型見圖3。

表1 ZG-55幾何尺寸 mm

節點處于懸挑部位，桿件受力復雜，承受軸力和剪力的同時，彎矩不容忽視，試驗中若想完全真實地模擬實際受力，存在一定的困難。為簡化加載方案，使試驗操作切實可行，并達到檢測鑄鋼件加工工藝和節點受荷性能預測的目的，現提出新的加載方案，此方案已得到中建上海設計方的同意。

圖3 ZG-55幾何示意圖

取鑄鋼節點分支端口最薄弱的截面為計算對象，此時計算的應力是最不利情況。將彎矩、剪力、軸力產生的總應力通過等效折算成軸力，再利用平衡原理對受力進行適當調整。最終等效結果見表2。

表2 ZG-55等效后荷載

通過ANSYS分析節點實際加載與等效加載，對測點的第一主應力和第三主應力進行比較(見圖4)。由于根據最不利處應力等效，等效后荷載產生的主應力大于或接近于原荷載產生的主應力，但兩者應力在大致趨勢上是符合的，等效后荷載能夠模擬實際荷載進行試驗分析。

2 試驗加載

2.1 測點布置

根據ANSYS有限元分析結果，應變花主要粘貼在桿件根部，此處不同桿件的應力相互作用，受力復雜。對于桿件1，5所受的力較大，應加密應變花的布置。共在鑄鋼節點上布置60個應變花(180個測點)，如圖5所示。量測出應變花三個方向的應變，求算出主應力的大小和方向。

圖4 實際加載與等效加載ANSYS分析比較

圖5 測點布置

2.2 加載方案

將節點安裝固定在反力架上，反力架如圖6所示，設計荷載為600 t，滿足設計要求。

圖6 反力架

固定桿件1，2，根據力平衡原理，這兩個桿件在加載時可以被動受力。通過連接帽實現千斤頂或反力架與桿件的連接，避免各個節點在端面坡口處應力集中而破壞。在連接帽端板中通過錨具夾片穿出，滿足強度要求的鋼絞線進行受拉桿件的加載，然后使鋼絞線穿過反力架的節點，在反力架節點的對面安裝穿心千斤頂施加拉力，反力也作用在反力架上，這樣反力架也滿足力的自平衡。連接帽與節點端頭連接如圖7所示，千斤頂與反力架的連接如圖8，圖9所示。

試驗采用5級加載，3級卸載，每級加載都使節點受力平衡。加載過程中，控制各桿件的同步加載是試驗實施的重點。施加的桿端力是通過千斤頂油壓進行控制。每次加載至預定荷載等級并穩定2 min后利用DH3815N靜態應變測試系統采集數據。

圖7 連接帽與節點端頭相連圖

圖8 受壓千斤頂油缸連接形式

圖9 穿心千斤頂油缸連接形式

3 數值分析

通過ANSYS軟件對節點進行理論分析，采用三維實體單元(Solid95)，模型在各桿件相連應力復雜處細分網格，以獲得足夠高的計算精度。有限元分析時模擬試驗中的加載和約束情況，分析得到節點變形云圖以及在試驗荷載下的第一、三主應力的應力分布云圖見圖10。

圖10 應力云圖

4 試驗結果與有限元分析結果的比較分析

根據試驗測得每個位置應變，得到該點的第一、三主應力，并與ANSYS分析結果進行比較。比較曲線見圖11。

圖11 試驗數據與ANSYS數據比較

通過比較節點的試驗數據與理論結果可以看出，兩者的數值變化趨勢是比較吻合的。理論分析得到在桿件3根部第一主應力值較大，相對應測點10～13測得的數值較大，最大達到81.27 MPa。理論分析可得節點的第三主應力較小且較均勻，其中桿件5施加的壓力達3 932 kN，相對應的第三主應力值較其他桿件大，其上的測點42～53數值上較其他測點大，最大的值為－77.68 MPa。說明試驗能夠真實地反映ZG-55各個桿件的受力情況。

5 結語

1)對受力復雜的鑄鋼節點，試驗中無法真實施加實際荷載，可通過等效應力的方法簡化加載方案，以達到試驗的目的。

2)對于節點的加載，采用固定某幾根桿件，然后對另外幾根桿件施加主動力的做法在很大程度上減少試驗的誤差，避免油缸不能同時操作的缺點，提高試驗的精確性。

3)數據的采集和分析均采用比較先進的軟件進行，保證了數據的可靠性與準確性。試驗與理論結果比較吻合，鑄鋼節點加工性能良好。

4)試驗過程中，鑄鋼節點沒出現破損和局部破壞，在試驗狀態下，理論模擬可以預測實際的工作狀況。

［1］戴國欣，李萬偉，刑世建，等.重慶江北國際機場新航站樓大跨鋼桁架鑄鋼節點性能研究［J］.建筑結構學報，2005，26(4)：70-75.

［2］卞若寧，陳以一，趙憲忠，等.空間結構大型鑄鋼節點試驗研究［J］.建筑結構，2002，32(12)：45-47.

［3］羅永峰，康 杰，王人鵬.上海南站無柱雨棚鑄鋼節點試驗研究［J］.鋼結構，2006，5(21)：7-10.

［4］鄒連海，吳 京，李 龍.南京奧體中心體育場鋼屋蓋主拱鑄鋼節點試驗方案研究［J］.江蘇建筑，2005(1)：14-16.

［5］舒贛平，梁元瑋，戴雅萍.蘇州博物館多桿相交鑄鋼節點試驗研究與理論分析［J］.鋼結構，2007，12(22)：1-5.