國家高山滑雪中心“十”字鼓節點研究與分析

王曉科 張海礁 柯旺 官翔宇 孟陽 王向遠

1.概況

1.1 項目簡介

國家高山滑雪中心第一標段項目位于北京市延慶區小海坨山南麓區域。項目所處地形復雜多變、極為復雜，對鋼結構的性能強度提出了很高的要求。不宜采用增加鋼結構數量的方式來增加結構強度。選用十字“V”型斜柱節點實現鋼柱與鋼梁的連接。

1.2 十字“V”型斜柱節點形式

國家高山滑雪中心第一標段十字“V”型斜柱節點的主要設計思路是以十字型鋼柱為核心承重柱，在鋼梁接口處采用異型鋼板焊接形成異型焊接螺栓節點，具體形式如圖1所示。使用的鋼材牌號為Q355NH-D焊接耐候鋼，鋼材設計強度290MPa，屈服強度355MPa。計算簡化模型見圖2。

2.試驗概況

2.1 加載裝置

反力架采用大噸位球形反力架；其內部凈空直徑為6m，最大承載力為3000t，可以在360°空間滿足任一方向試驗加載的要求，是國內尺寸和加載噸位最大的球形反力裝置。其中壓力通過千斤頂直接加載，拉力通過張拉工裝系統進行施加構健康監測系統和高清網絡球機，可實現試驗全過程的遠程實時監控和監測。

圖1 節點形式圖

2.2 加載方案及測點布置

在實際施加荷載時，不可能在所有桿件端部均設置千斤頂，故不能完全模擬內力設計值中的所有內力。因此，本試驗將實際結構中的下層柱（即2號桿件單元）作為固定端，以構件較大的軸力與彎矩為主，忽略較小的剪力和彎矩；桿端彎矩通過軸力偏心和剪力來施加。選取節點最不利組合內力計算得到加載時的試驗荷載（2倍），得到實際試驗加載荷載（2倍）[1]。

本試驗中試驗荷載為設計荷載的2倍。加載時，各個加載段同步進行加載，試驗荷載采用分級加載，由0至最大加載力均分為20級，每級荷載穩壓2min后讀取應變片、位移計的讀數，直至加載破壞或達到最大加載力，此時穩壓3min后卸載。

圖2 計算模型簡化圖

根據試驗前ABAQUS有限元模擬結果，試驗過程中應利用應變片測量各桿件外表面應變和節點中心域應力集中區的應變。桿件外表面的應變片采用單向應變片，于受壓梁（4、5號梁）距離端板500mm處工字型截面的上下翼緣距邊緣20mm處布置4個應變片；于受拉梁（3、6號梁）距離端板300mm處工字型截面的上下連接板距邊緣20mm處布置4個應變片；于上下柱距離端板300mm處十字型截面的四肢距肢端10mm處布置4個應變片。共計24個應變片。

節點域應變片采用應變花，上下節點板分別在各梁接合處內伸700mm處設置應變花，共計8個。四塊橫向腹板分別在其兩端內伸100mm處設置應變花，共計8個。

試驗過程中在節點中心區域設置三向位移計，用于監測節點中心位移。在1號柱，4、5（即兩個壓力梁）號梁的桿件端部設置位移計，用于監測桿端位移，其中每個桿端布置兩個位移計，方向分別為桿件軸向和垂直軸向，貼合于端板上。3、6號梁的桿件端部僅設置豎向位移計，貼合于端板上。

3.試驗結果分析

3.1 試驗現象

本試驗加載方案為1到20級逐級加載。當荷載從第1級增加至第20級，即達到2.0倍荷載設計值時，試件均未出現任何明顯的變形位移，也未發出任何明顯響聲。隨著荷載分級增加，各桿件的應變逐步增加，6根加載桿件的應變均小于屈服應變εy，都處于彈性范圍內。接下來進行卸載，在大約5min內，荷載緩慢卸至零。卸載后觀察試件發現，節點域未發生明顯變形，各根桿件也均未發生明顯變形，高強螺栓節點位置沒有明顯移動，關鍵焊縫處也沒有明顯裂紋[2]。

3.2 荷載-應變/位移曲線

1～6號桿件的荷載級數-應變曲線近似，隨著荷載分級增加，初期應變線性增加，軸向壓力產生的應力占主要部分，而軸力偏心使桿件端部2個應變片顯示拉應變，另兩個顯示壓應變。測量截面加載至第20級荷載（2.0倍荷載設計值）時應變曲線均處于彈性范圍內。

節點域應力集中部位的應變隨著荷載級數的變化曲線可以看出，節點域應力集中區各測點應變隨荷載級數增加均呈線性增加，從應變花整體數據來看，節點中心的應力相當小，應變均處于0～150με 范圍內，應力集中現象并不特別明顯，節點域仍處于彈性范圍內。

各桿件端部各方向位移，以及節點域中心位移隨著荷載級數的變化曲線。橫軸為位移計的讀數，縱軸為荷載級數。節點各桿件的絕對位移較小，均不足12mm；其中節點中心的水平向位移1.83mm，豎向位移1.74mm，表明節點整體變形很小。

4.有限元分析

4.1 有限元模型

本節采用通用有限元軟件ABAQUS對試驗荷載下的節點進行數值分析。有限元模型選用四面體C3D10單元。有限元模型中本構關系采用雙折線模型。鋼材牌號為Q355NH-D焊接耐候鋼，材料彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3，根據規范GB/T4171-2008《耐候結構鋼》可知，取fy=355MPa，fu=700MPa。

4.2 有限元計算結果及與試驗結果的比較

試驗荷載下有限元模型的計算結果顯示。在試驗荷載下，節點大部分區域Mises應力極小，小于5MPa，桿件和節點域連接處的應力集中區域應力稍大，最大達到了274MPa，下柱和節點域下翼緣板的交界處在極小的區域內存在較大的應力集中現象。此時節點的中心位移約為2.70mm。

試驗現象與有限元分析結果進行對比，從0級加載到20級荷載，再完全卸載的過程中，節點域始終未發生明顯變形，各根桿件也均未發生明顯變形，高強螺栓節點位置沒有明顯移動，，與有限元分析結果中節點中心域和各桿件沒有任何塑性應變，完全在彈性范圍內，且彈性最大主應變極小的結果吻合。

5.結論

國家高山滑雪中心第一標段十字“V”型斜柱節點在荷載達到第20級試驗荷載時，節點無明顯變形。節點域和所有桿件均處于彈性狀態，最大應變低于屈服應變。卸載完成后，試件沒有明顯的變形，節點域完好無損。整個加/卸載試驗過程中，節點域始終未發生明顯變形，各根桿件也均未發生明顯變形，高強螺栓節點位置沒有明顯移動，關鍵焊縫處也沒有明顯裂紋。