復雜鑄鋼節點的極限承載能力及滯回性能研究

高治昌,李海旺,秦冬祺

(太原理工大學 a.建筑與土木工程學院; b.力學學院,太原 030024)

復雜鑄鋼節點的極限承載能力及滯回性能研究

高治昌a,李海旺a,秦冬祺b

(太原理工大學 a.建筑與土木工程學院; b.力學學院,太原 030024)

利用ABAQUS軟件,在考慮幾何與材料雙重非線性的基礎上，采用有限元模擬方法對山西某博物院館的單層折面鋼管網殼的典型鑄鋼節點進行了設計荷載下承載力驗算、極限荷載評定、地震下的耗能能力分析。分析表明:該鑄鋼節點具有足夠的安全儲備;節點在設計荷載下為彈性工作狀態,其應力峰值出現在管件交匯倒角處。在承載力極限狀態該節點支管靠近相貫面處發生局部屈曲破壞,極限荷載為設計荷載的5.7倍,表明節點進入塑性后還有很大的承載潛力;該鑄鋼節點在豎向地震作用的耗能能力較好,在水平地震作用下較差，增加加勁肋后,節點在水平方向下的耗能能力得到了明顯改善。

鑄鋼節點;極限承載力;滯回曲線;耗能能力;空間網格結構

近年來,地震災害的頻繁發生對空間鋼結構公共建筑的抗震性能提出了更高的要求。然而很多公共建筑因藝術造型要求,采用了復雜奇異的體型,造成常規鋼結構節點遠不能滿足設計的需求,為此很多工程師選擇鑄鋼節點來實現復雜體系的建造。

但目前對鑄鋼節點承載力的驗算和抗震性能評定還沒有統一的方法,很多重要工程采用試驗或有限元模擬分析的方法進行節點域的承載力和抗震性能設計,如:陳海洲、張其林等人對杭州灣觀光塔鑄鋼節點的疲勞性能進行了試驗研究[1];鄭洪志、童樂為等人對哈爾濱會展體育中心屋架鑄鋼節點進行了足尺試驗,并利用有限元軟件分析了該鑄鋼節點在設計荷載下的力學性能[2];宋杰、李陽等對杭州國際會議中心的巨型鑄鋼節點進行實驗研究,并通過有限元分析軟件研究了該節點在2倍和3倍設計荷載下的力學性能[3];賈連光、杜欽欽等人對X型鑄鋼節點的設計承載力和極限承載力做了有限元分析,并研究了加勁肋壁厚對該節點極限承載力的影響[4];盧云祥、蔡元奇等人也對某大型復雜鑄鋼節點的設計和極限承載力做了有限元分析并研究了考慮幾何非線性在鑄鋼節點有限元模擬中的意義[5];羅永峰、韋艷娜等人對重慶渝北體育館的鑄鋼節點的設計和極限承載力做了有限元分析,并研究了過度圓弧半徑對過渡區域應力集中的影響[6];邵永松、李承柱等人對梁柱鑄鋼節點進行了滯回性能有限元分析[7]。

筆者參考上述文獻的做法,采用ABAQUS有限元軟件對山西某博物院館的單層折面鋼管網殼的復雜鑄鋼節點進行了分析設計,提出了一種分析評價此類鑄鋼節點的滯回性能的方法。

1 工程概況

山西某市博物館,如圖1所示,其鋼結構屋蓋形狀極不規則,其部分結構如圖2所示。

圖1 博物館造型圖

該市抗震設防烈度為8度,博物院是人員集中之地,其災難地震下的安全性不言而喻。該博物館屋蓋結構高度為4.89 m,最大跨度為33.3 m,采用圓鋼管相貫空間單層折面網殼結構體系。因多處節點交匯桿件多且角度太小,故采用了鑄鋼節點。本文以圖2 中典型復雜節點js-5為例介紹該工程的鑄鋼節點的分析驗算方法。軟件采用ABAQUS，主要進行了該鑄鋼節點承載力驗算、極限荷載評定、災難地震下的滯回性能分析。

圖2 屋面結構圖

2 有限元模型

2.1 幾何模型及單元劃分

js-5鑄鋼節點模型如圖3所示,相連桿件規格如表1所示。因桿件交匯較多, 計算分析采用三維實體單元,并將桿件交匯處弧形桿腳區域的網格進行加密。該鑄鋼節點有限元網格劃分如圖4所示。

圖3 js-5鑄鋼節點模型 圖4 網格劃分

表1 節點js-5連接桿件截面

2.2 材料模型

該工程鋼管采用Q235B級鋼,鑄鋼節點與桿件采用焊接連接,要求節點材料力學性能必須滿足設計要求外, 還須具有良好的可焊性能。根據文獻經驗,選取德國標準規定的調質處理 GS-20Mn5V 號鑄鋼材料[17-19],其機械性能見表2。計算中材料模型采用雙線性強化彈塑性模型,彈性模量為E=2.06×105MPa，泊松比為0.3，屈服強度為360 MPa，屈服后的切線模量為1 000 MPa，極限塑性應變為0.24。

表2 鑄鋼力學性能

3 節點在設計荷載下的承載力驗算

3.1 有限元模型邊界條件和加載

根據節點在結構中的位置,在桿1下端部與下部結構相交處施加固定約束。

節點受力是將鋼管的內力轉化為鑄鋼節點伸管端部的面荷載,分級單調施加。相連鋼管的桿端力為最不利荷載組合下各管件軸力如表3所示。

表3 節點荷載設計值

3.2 有限元計算結果及分析

3.2.1設計承載力驗算

將最不利設計荷載工況下各管件內力施加到有限元模型中, 得到 Mises 應力計算結果如圖5所示。最大應力值為190.8 MPa,位于桿1和桿5相貫面處(圖中黑點處)。

圖5 設計荷載下的mises應力云圖

鑄鋼材料的等效強度設計值可由(1)式計算[8]:

(1)

式中:β為考慮塑性區域開展的有效應力系數,根據文獻[9]可取1.1;fy是材料的屈服強度;γR是鋼材的抗力分項系數, 對于鑄鋼材料, 由于統計資料還不充分,取1.282; 根據規定, 當結構較重要時, 安全等級提高一級, 相應的結構可靠度指標提高0.5,故結構抗力除以1.1的折減系數。對于該鑄鋼節點, 屈服強度為360 MPa,其強度設計值為:

由圖5可知,應力值最大為190.8 MPa<281 MPa。由此可見,節點承載力設計滿足要求。

3.2.2節點極限承載力計算

依據該節點的受力形態,逐步單調比例增加各相連桿件的桿端力,使節點進入彈塑性階段直至破壞。計算時考慮幾何與材料雙重非線性。

圖6為各桿加載點荷載位移曲線。由圖中曲線可知,在相同荷載倍數下桿5的桿端位移相對值最大,其先于其他桿件進入屈服,當比例加載至5.7倍的設計荷載時,桿5的管口位移首次增大為管徑的3%。根據文獻[10]的評定方法,可評定5.7倍設計荷載時,鑄鋼節點喪失承載能力,達到承載能力極限狀態。

圖6 管口荷載-相對位移曲線

節點在各工況下的極限承載力均超過設計荷載值 3. 0 倍,滿足設計要求。

3.2.3節點在循環往復荷載下的延性性能

地震作用對建筑物的影響在性質上是動力作用,但其振動頻率很低,可以用偽靜力方法研究其在動力下的延性性能。筆者采用偽靜力模擬地震作用,對鑄鋼節點施加低周往復荷載,考察其在地震下的延性性能和耗能能力。

由于該節點中桿1直接與下部結構相連,地震作用通過該連接傳給上部屋蓋結構,故將地震作用施加于該連接處,而在桿2、桿3、桿4、桿5的端部施加固定約束,以便考察該節點的延性性能。

具體做法是:在桿2、桿3、桿4、桿5桿端施加固定約束,在桿1端施加一系列X向(X、Y向由圖2確定,Z向由X、Y向通過右手螺旋定則確定)往復漸進位移荷載,其余倆方向位移為0;在桿1端施加一系列Y向往復漸進位移,其余倆方向位移為0;在桿1端施加一系列Z向往復漸進位移荷載,其余倆方向位移為0。循環位移峰值從1 mm增加到10 mm,每級遞增1 mm,節點的循環加載曲線見圖7。

圖7 位移加載曲線

計算時考慮幾何與材料雙重非線性。

目前對構件的耗能能力沒有統一的評判標準,常用耗能系數E來衡量構件各階段的耗能能力,根據我國《建筑抗震試驗方法規程》(JGJ101—96)的規定,這個指標用構件的載荷-位移滯回曲線所包圍的面積大小來衡量,滯回曲線所包圍的面積越大,其耗能能力也越好,反之,耗能能力就越差,如圖8所示,其表達式為:

圖8 耗能系數計算簡圖

有限元得出的荷載-位移關系的滯回曲線,如圖9所示。

圖9 節點滯回曲線

經計算,在X、Y、Z三個方向循環荷載作用下該節點的耗能系數E分別為Ex=1.07、Ey=1.02、Ez=1.53。

Z向滯回曲線非常飽滿且耗能系數Ez比較大,表明其在豎向地震作用下具有很好的延性和耗能能力。X向的滯回曲線與Z向相比明顯瘦了許多,從耗能系數上看,Ex比Ez小很多;Y向的滯回曲線較X向更瘦,Ey比Ex也小,但相差不大。該節點在水平地震作用下的延性和耗能能力與豎向相比較弱。

3.2.4加勁肋對節點延性及耗能能力的影響

若要改善該節點的水平滯回性能,在該節點上增加加勁肋,此加勁肋不影響節點的使用,肋板是邊長為200 mm的等邊三角形,板厚為16 mm。增加加勁肋的布置方式和鑄鋼節點網格劃分圖如圖10所示。

同時其他條件不變，模擬得位移荷載滯回曲線如圖11所示。

計算得,在X、Y、Z三個方向循環荷載作用下該節點的耗能系數E分別為Ex=1.19，Ey=1.15，Ez=1.61,較不加加勁肋耗能系數得到了提高。X，Y，Z三個方向的滯回曲線都飽滿了許多,特別是水平方向的滯回曲線加強很明顯。

圖10 帶加勁肋布置示意圖和節點網格劃分

圖11 布置加勁肋后節點滯回曲線

4 結論

該鑄鋼節點滿足結構設計要求,具有足夠的安全儲備。節點在設計荷載下為彈性工作狀態,其應力峰值出現在管件交匯倒角處。在極限荷載下該節點支管靠近相貫面處發生局部屈曲破壞,極限荷載為設計荷載的5.7倍,節點進入塑性后還能有相當大的承載潛力發揮。

分析此類復雜鑄鋼節點在災難地震下的工作性能,建議研究該類節點在豎向和兩個水平向下的滯回性能,這樣能比較真實地模擬節點在地震作用下的受力情況。

該鑄鋼節點在豎向地震作用的工作性能比較好,在水平地震作用下的工作性能也較為出色。滯回曲線比較飽滿,塑性變形能力強,具有很好的延性和耗能能力。

若增加加勁肋,節點在水平方向下的滯回性能明顯加強,節點在地震作用下的工作性能得到提高。

[1] 陳海洲，張其林.杭州灣觀光塔鑄鋼節點疲勞性能試驗研究[J].建筑結構學報,2009,30(5):149-154.

[2] 鄭洪志，童樂為. 哈爾濱會展體育中心屋架鑄鋼節點性能研究[J].工業建筑,2005,35(11):35-38.

[3] 宋杰，李陽. 杭州國際會議中心巨型鑄鋼節點試驗研究[J].建筑結構學報(增刊)(1994-2010):98-110.

[4] 賈連光，杜欽欽. 斜交網格結構鑄鋼節點承載力有限元分析[J].沈陽建筑大學學報(自然科學版),2011,27(5):852-858.

[5] 盧云祥，蔡元奇. 大型鑄鋼節點極限荷載及破壞機理分析[J].重慶大學學報,2010,33(12):71-77.

[6] 羅永峰，韋艷娜. 重慶渝北體育館鑄鋼節點有限元分析[J].結構工程師,2010,26(4):52-56.

[7] 邵永松，李承柱. 滯回性能有限元分析[J].工業建筑,2010(增刊):1177-1182.

[8] 蔡建國，馮健.大型鑄鋼節點的工程應用和分析[J].鋼結構,2008,23(04):13-17.

[9] 中華人民共和國建設部. GB50017-2003 鋼結構設計規范[S]. 北京:中國建筑工業出版社, 2003.

[10] 趙先忠，陳以一. 建筑用鑄鋼節點設計的若干關鍵問題[J]. 結構工程師,2009,25(4):11-18.

[11] 同濟大學,清華大學,中國鋼結構協會專家委員會. CECS 235∶ 2008 鑄鋼節點應用技術規程 [S].北京:中國計劃出版社, 2008.

(編輯：賈麗紅)

UltimateCapacityandHystereticBehaviorStudyofaComplexCastNode

GAOZhichanga,LIHaiwanga,QINDongqib

(a.CollegeofArchitectureandCivilEngineering;b.CollegeofMechanics,TaiyuanUniversityofTechnology，Taiyuan030024,China)

By using the finite element simulation method with ABAQUS and taking into account the geometric and material nonlinearities, the bearing capacity of the typical cast steel node in a single-layer folded-plane reticulated shell from a building in Shanxi Museum was checked, under the design load; it,s ultimate load was evaluated and it,s energy dissipation capability under seism was analyzed. Analysis shows that: the cast steel node met design requirements and had sufficient safety reserves; node in the design load is in elastic working state, the stress peak occurs at the intersection of pipe chamfering. In the limit state of bearing capacity of the node, the local buckling failure took place in the surface near the intersection, ultimate load was 5.9 times the design load, indicating that there is still great potential in bearing capacity after a node becomes plastic; The energy dissipation capacity of the cast steel node was good in vertical seismiaction but bad in the horizontal seismic action. Adding stiffening rib,significantly improved the energy dissipatio capacity of the node in the horizontal direction.

cast steel node； ultimate bearing capacity； hysteretic curves；energy dissipation capacity； space grid structure

2013-06-25

國家自然科學基金(50878137)；山西省科技攻關項目(20080321086)；山西省歸國留學基金項目(2009-26)

高治昌(1988-)，男，山西離石人，碩士，主要從事大跨空間鋼結構，(Tel)15834062625

李海旺，教授，(Tel)13663510879

1007-9432(2014)01-0051-05

TU393.3

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