鑄鋼節點受力性能的試驗研究

周宇航 王 雪

中車齊齊哈爾車輛有限公司

鑄鋼節點受力性能的試驗研究

周宇航 王 雪

中車齊齊哈爾車輛有限公司

近幾年來，新型結構體系不斷出現，使結構中構件與構件之間節點的連接方式日趨復雜，傳統的焊接球節點、鋼管相貫節點等各種節點形式已不能適應現代鋼結構的發展。隨著鑄造工藝的提高，鑄鋼節點以其合理性與實用性越來越受到工程界的關注。在國外，特別是日本、德國等發達國家，鑄鋼節點已得到了非常普遍的采用；國內鑄鋼件的應用剛剛興起，近幾年來，在一些鐵路貨運車輛當中的應用對受力復雜的節點采用了鑄鋼節點并取得了很好的經濟效益。因此本文主要就對鑄鋼節點受力性能的試驗進行分析和探討。

鑄鋼節點；受力性能；試驗

1 試件設計

為了滿足試驗加載條件的要求，需對節點設計接長段與封頭板，并在接長管內配置十字加勁肋。接長段主要根據加載框架與千斤頂尺寸設計；封頭板的設計需考慮相應鋼管的直徑與加載大小，保證節點在加載過程中不會因桿端局部集中受力而首先發生破壞。為了使試驗更接近實際要求，節點在鑄造廠內澆鑄完畢后，在使用中進行接長段與封頭板的焊接。

2 試件的材性

節點的受力與變形特點取決于鑄鋼材質的力學性能。材料的屈服強度、抗拉強度、彈性模量和伸長率等機械性能指標是節點設計的主要依據。由于本文試驗的鑄鋼節點始終在彈性范圍內工作，鑄鋼為理想彈塑性材料，根據鑄鋼件制造廠家提供的數據取材料的彈性模量為2.06×105MPa，波松比為0.3，屈服強度為230MPa。

3 試驗加載裝置

為了保證試驗工作的正常進行，在最大試驗荷載作用下試驗加載裝置必需滿足剛度與強度要求，保證有足夠的安全儲備。本次試驗對節點G1和G2施加軸向力壓力，G3和G4施加水平拉壓力，加載方向不太復雜，G1和G2加載數值較大，且要滿足G3和G4反復加載的要求。經過分析和對比，豎向加載裝置采用兩個120噸加載框架，兩個加載框架通過加載梁向鑄鋼節點提供豎向荷載，千斤頂要垂直桿件封頭板，壓力千斤頂加力大小由壓力表讀取，水平加載裝置采用剪力墻提供水平拉壓力，試驗證明，加載框架滿足了較大豎向荷載，水平拉壓荷載加載的需要。

試驗時，首先通過反力架和豎直千斤頂對節點施加豎向荷載，豎向荷載通過油泵上的油壓表直接讀取數值；水平荷載由固定在反力墻上的水平千斤頂施加，加力大小由油壓傳感器讀取，通過油泵人為控制。

4 試驗加載方式

試驗時，將G1桿件垂直于試驗臺座，通過接長管封頭板上的預留螺栓孔用錨桿將試件錨固在試驗臺座上，對G1桿件的加載由試驗臺座反力提供；對G2接長管的加載是通過壓力千斤頂施加，在壓力千斤頂頂部設置加載梁，加載梁將千斤頂反力傳到兩榀豎向加載框架，加載框架將力傳到試驗臺座；對G3和G4接長管的加載是通過與法蘭連接件連接的拉壓千斤頂施加，拉壓千斤頂的荷載通過錨固于反力墻的梁傳到強度和剛度較大的反力墻。

5 應變測試方案

5.1 測試方法

本次試驗采用電阻應變計測試法，為了了解鑄鋼節點的應力分布規律，應變測點的布置是根據有限元分析的結果進行的，測點的布置力求做到覆蓋節點表面上應力較大的測點，并能大致了解節點應力分布規律及變化趨勢。從理論分析結果看，鑄鋼節點的應力不利位置均在管腳附近，遠離匯交區域的應力整體水平較低。基于以上原因，應變測點在管腳附近應布置較多，其他區域相應減少，同時為了確保各級施加荷載與設計荷載相符，每根桿件的接長端上布置一定數量的校核測點，測點數目根據管徑大小合理布置。

5.2 應變測點布置

由于管身主要承受軸向應力，采用單軸應變片測試；靠近管腳(距管腳0.05m)和遠離管腳(距管端0.05m)處各布置4個應變測點。管管匯交的周圍區域，應力狀態比較復雜，主應力方向未知，因此在此處布置應變花測試測點的應變大小，其應變測點布置以各管件軸線為中心呈同心圓分布，管腳圓周及其同心圓周上各布置4個測點。另外，主管上布置了5排測點，由于主管上測點的應力狀態復雜，采用應變花測試。在接長管上沿圓周布置4個測點，采用單軸應變片測試。

5.3 電阻應變片的選取

電阻應變片的種類很多，試驗應變片的選取主要考慮應變片的特點、試驗技術要求、試驗類型及試驗環境。本文試驗考慮到箔式應變片絕緣度高、耐疲勞性能好、橫向效應小等特點，所有測點均采用箔式應變片。

6 試驗結果與結果分析

6.1 試驗荷載校核

在試驗過程中，桿件所受豎向力由油壓表控制，水平力由兩個油泵施加，人為控制油泵，荷載大小由油壓傳感器讀取。基于上述原因，鑄鋼節點各桿件荷載的施加在時間上必然存在不同步性。除此之外，桿件之間荷載的施加相互影響，對某根桿件施加荷載時，其它桿件的受力也會發生變化，因此很難保證各桿件實際施加的荷載與設計試驗荷載完全相符。通過分析，在兩種工況下各管試驗實際施加荷載值與試驗設計荷載值之間差距很小，誤差均不超過1%，因此認為試驗時所施加的荷載完全滿足試驗要求。

6.2 試驗結果分析

為得到節點試驗測試的應力分布情況，從鑄鋼節點的各個桿件上選取一定數量的測點，分析鑄鋼節點各區域的應力變化趨勢。下面分析工況一反復荷載作用下的測點的應力變化，工況一下G3、G4各個荷載步拉壓狀態相同，先施加拉力荷載，然后卸載，再反向施加壓力荷載，再卸載，然后重復兩次以上加載步驟。

由整理的試驗數據和以上分析可知，試驗測試的鑄鋼相貫節點的應力分布呈現區域性特點，即鑄鋼相貫節點管管倒角處應力較大，有明顯的應力集中，其余區域應力值較小。

節點在工況一G3和G4均為拉力最大荷載時，整體應力水平較大，實測各桿件應力均不超過174MPa；節點在工況一G3和G4均為壓力最大荷載時，整體應力水平較大，實測各桿件應力均不超過152MPa。

節點在工況二G4達到拉力最大荷載時，整體應力水平較小，實測各桿件應力均不超過128MPa；節點在工況二G4達到壓力最大荷載時，整體應力水平較小，實測各桿件應力均不超過109MPa。

節點在兩個工況試驗荷載作用下，實測應力最大值為174MPa，位于節點與G1接長管的焊縫處，沒有超過230MPa，說明結點一直在彈性范圍內工作，沒有發生材料的屈服。

結論

節點在兩個工況下應力值的較大位置均出現在G1和G2與接長管的焊縫附近位置，而在節點的其它位置應力值較小，說明節點G1和G2接長管的位置為節點的薄弱環節，可以通過改善改處的受力性能而來提高鑄鋼節點的承載能力。