鄧莎莎，陳思甜，王文志，楊洋

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074)

拉壓斜腹桿鋼管桁架焊接節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究

鄧莎莎，陳思甜*，王文志，楊洋

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074)

結(jié)合實(shí)際工程中鋼管焊接節(jié)點(diǎn)的受力特點(diǎn)，采用有限元軟件MSC.Marc建立1:1實(shí)體有限元模型，進(jìn)行靜力荷載試驗(yàn)，研究焊接節(jié)點(diǎn)的受力性能及變化情況。對(duì)試件焊接節(jié)點(diǎn)在荷載作用下的應(yīng)力分布進(jìn)行有限元分析，將有限元計(jì)算的理論結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。試驗(yàn)結(jié)果表明：節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度大于桿件，滿足整體結(jié)構(gòu)受力要求，有限元分析能較好地模擬試驗(yàn)現(xiàn)象，但節(jié)點(diǎn)區(qū)域受力較復(fù)雜，應(yīng)力集中比較明顯。

鋼管桁架節(jié)點(diǎn)；靜載試驗(yàn)；有限元分析；受力性能

近年來圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)在體育場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)航站樓等大跨度桁架結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用，該類節(jié)點(diǎn)由鋼管構(gòu)件通過相貫線直接焊接而成，不需要其他連接構(gòu)件，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單，節(jié)省材料，承載能力強(qiáng)[1-2]。在空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)中，腹桿主要承受拉彎或者壓彎荷載的作用，下弦桿主要承受軸力，并且圓鋼管截面各向等強(qiáng)、無弱軸、抗扭剛度大[3]。現(xiàn)已有平面TK型鋼管節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)[4-11]和承載能力的計(jì)算公式，但是對(duì)拉壓斜腹桿復(fù)合受力作用下的下弦節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究則少有報(bào)道。

1 拉壓斜腹桿桁架組合受力節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)

重慶交通大學(xué)學(xué)生科技創(chuàng)新工場(chǎng)桁架平面圖如圖1所示。

圖1 整體桁架圖及試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)

以桁架節(jié)點(diǎn)為對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)。該鋼屋架屋面為鋼桁架，由3根上弦桿、1根下弦桿、豎向腹桿、斜向腹桿、上弦桿間綴桿、屋面檁條組成，除了檁條外均為圓形鋼管?？臻g桁架結(jié)構(gòu)采用桿件直接焊接的連接方式，造型美觀，桁架節(jié)點(diǎn)均在現(xiàn)場(chǎng)焊接完成，節(jié)點(diǎn)焊縫之間相互貫通，受力復(fù)雜?？臻g桁架節(jié)點(diǎn)類型有多種，選取圖1中受力復(fù)雜的下弦節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)分析。現(xiàn)場(chǎng)制作1:1的節(jié)點(diǎn)模型[12]，保證施工工藝與桁架節(jié)點(diǎn)一致，通過對(duì)受拉斜腹桿和受壓斜腹桿施加設(shè)計(jì)荷載，評(píng)估節(jié)點(diǎn)的焊接性能，并與有限元模型進(jìn)行對(duì)比分析。鋼材采用Q235鋼，密度ρ=7 850 kg/m3，彈性模量E=2.05×105MPa，泊松比μ=0.3，由于本工程所有鋼管均為薄壁鋼管，壁厚不超過16 mm，鋼材的設(shè)計(jì)抗拉、抗壓和抗剪強(qiáng)度為215 N/mm2。分析時(shí)考慮材料非線性和幾何非線性，不考慮節(jié)點(diǎn)區(qū)焊縫以及殘余應(yīng)力對(duì)鋼管節(jié)點(diǎn)的影響[13-14]。

1.1 試件設(shè)計(jì)

此試驗(yàn)選取圓鋼管桁架中最不利的一個(gè)下弦節(jié)點(diǎn)進(jìn)行受力分析，節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)試件采用1:1比例制作，圓鋼焊接節(jié)點(diǎn)平面模型如圖2a)所示，下弦桿尺寸為Φ76×3.5，中間腹桿N2為Φ50×2.5，兩斜腹桿N1、N3分別為Φ60×3、Φ50×2.5。斜腹桿的設(shè)計(jì)受力如圖2b)所示，斜腹桿N1設(shè)計(jì)拉力為82.42 kN，斜腹桿N3為-43.91 kN。在實(shí)際工程中，主要目的是研究拉壓斜腹桿對(duì)節(jié)點(diǎn)的影響，故未對(duì)豎桿進(jìn)行加載，下弦桿水平兩端均為約束端，夾持在反力架上。

a) 焊接節(jié)點(diǎn)平面模型 b) 斜腹桿設(shè)計(jì)受力情況圖2 焊接節(jié)點(diǎn)模型

1.2 加載裝置和加載方式

圖3 節(jié)點(diǎn)加載方式示意圖

本試驗(yàn)采用斜腹桿N1、N3施加軸向荷載的加載方式，N1斜腹桿施加拉力，N3斜腹桿施加壓力。用手動(dòng)螺旋千斤頂對(duì)拉壓斜腹桿分別施加荷載，拉桿通過鋼絲繩和鋼板間接受千斤頂施加的拉力，壓桿由千斤頂直接施加壓力。通過控制施加的拉力和壓力控制整個(gè)節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)的進(jìn)程，并與設(shè)計(jì)荷載進(jìn)行比較。為保證軸力荷載下偏心的影響，在斜腹桿的上下表面安裝應(yīng)變傳感器，所得結(jié)果求均值以減小誤差[15]，節(jié)點(diǎn)加載方式如圖3所示。試驗(yàn)在重慶交通大學(xué)結(jié)構(gòu)工程試驗(yàn)室進(jìn)行，利用試驗(yàn)室內(nèi)現(xiàn)有的反力門架，在試驗(yàn)中限制的節(jié)點(diǎn)位移，同時(shí)具有加載的反力點(diǎn)，把鋼管桁架下弦節(jié)點(diǎn)安裝固定在門架內(nèi)側(cè)，水平弦桿固定在門架上，限制其位移、轉(zhuǎn)動(dòng)。

試驗(yàn)前對(duì)試驗(yàn)桁架的設(shè)計(jì)拉、壓力進(jìn)行計(jì)算分析，分別得出斜腹桿N1、斜腹桿N3在設(shè)計(jì)工況下的受力情況，在加載過程中以計(jì)算所得的設(shè)計(jì)荷載為依據(jù)進(jìn)行加載。桿N1的設(shè)計(jì)應(yīng)變?yōu)?48×10-6，應(yīng)力為153.5 MPa；桿N3的設(shè)計(jì)應(yīng)變?yōu)?574×10-6，應(yīng)力為-117.7 MPa。試驗(yàn)過程中，采用2個(gè)千斤頂同時(shí)加載的方式，逐步加載，直到分別承受拉力和壓力的兩根斜腹桿的應(yīng)變達(dá)到理論計(jì)算值為止，并且進(jìn)行單次采集數(shù)據(jù)。

1.3 測(cè)試方案及測(cè)點(diǎn)布置

圖4 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

試驗(yàn)主要是測(cè)試桿件的應(yīng)力分布情況，測(cè)試方案為：1)在桿件N1和桿件N3的中部布置應(yīng)變傳感器，上下表面對(duì)稱安置2個(gè)應(yīng)變傳感器，對(duì)應(yīng)編號(hào)為⑦、⑧、⑨、⑩，如圖4所示。2)在下弦桿靠近節(jié)點(diǎn)的位置布置135°應(yīng)變花和45°應(yīng)變花，2個(gè)應(yīng)變花分別在靠近拉、壓桿的2個(gè)區(qū)域，對(duì)應(yīng)編號(hào)為①、②、③、④、⑤、⑥，如圖4所示。在試驗(yàn)地點(diǎn)旁邊粘貼溫度補(bǔ)償片，節(jié)點(diǎn)加載過程中應(yīng)變用JM3812多功能無線靜態(tài)應(yīng)變儀進(jìn)行采集，最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。試驗(yàn)中與節(jié)點(diǎn)相連的弦桿和腹桿的實(shí)際內(nèi)力通過布置其上的應(yīng)變傳感器和三向應(yīng)變片反算求得[16]。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

在加載初期各測(cè)點(diǎn)均處于彈性狀態(tài)，隨著拉、壓荷載增加，兩斜腹桿應(yīng)變上升，在加載過程中未發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)有明顯的損傷和裂紋。當(dāng)拉壓荷載加載至設(shè)計(jì)荷載時(shí)，桿件與節(jié)點(diǎn)均沒有發(fā)生明顯的變形和裂紋。繼續(xù)加載，由于壓桿偏心作用明顯，N3桿出現(xiàn)屈曲現(xiàn)象。當(dāng)荷載增加到千斤頂?shù)臉O限力時(shí)，節(jié)點(diǎn)的試件未發(fā)生破壞，節(jié)點(diǎn)焊接部位沒有凹凸或者開裂現(xiàn)象，最終停止加載。

2.2 節(jié)點(diǎn)主應(yīng)變

由應(yīng)變傳感器和兩應(yīng)變花采集的數(shù)據(jù)表明：在加載到設(shè)計(jì)荷載時(shí)，節(jié)點(diǎn)未發(fā)生破壞；當(dāng)荷載繼續(xù)加載到遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)荷載時(shí)，試件未發(fā)生明顯破壞，說明試件設(shè)計(jì)尺寸是合適的。停止加載的條件也并非焊接節(jié)點(diǎn)發(fā)生了破壞，故節(jié)點(diǎn)的承載能力遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)荷載。

對(duì)45°、135°兩應(yīng)變花3個(gè)方向所測(cè)應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其應(yīng)變、應(yīng)力計(jì)算公式[17-18]為：

式中：ε1、ε2、ε3分別為3個(gè)方向的應(yīng)變；u為泊松比。

通過控制斜腹桿N1和斜腹桿N3施加的荷載來控制整個(gè)試驗(yàn)的加載進(jìn)程，N1、N3受力情況如表1所示。由于進(jìn)行逐級(jí)加載時(shí)可能對(duì)桿件產(chǎn)生一定的偏心作用，因此每一根桿件對(duì)稱兩側(cè)的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)∑骄?，確保試驗(yàn)準(zhǔn)確性[19]。

表1 斜腹桿N1、N3受力情況

在拉力和壓力的控制下，圖4應(yīng)變花1、2的內(nèi)力及主應(yīng)力如表2所示。

由表2可知：每一次加載后，N1應(yīng)變與N3應(yīng)變變化趨勢(shì)相同，同時(shí)增大或減小。當(dāng)桿N1側(cè)千斤頂加載、桿N3側(cè)千斤頂不加載時(shí)， N1沿桿件方向拉力在豎直方向的分力會(huì)使試件節(jié)點(diǎn)具有向上拱的趨勢(shì)，并使節(jié)點(diǎn)下弦桿產(chǎn)生向上拱的形變，此時(shí)N3產(chǎn)生向上的壓縮變形。同理，當(dāng)N3側(cè)千斤頂加載， N1側(cè)千斤頂不加載時(shí)， N3沿桿方向的壓力在豎直方向的分力會(huì)使整個(gè)節(jié)點(diǎn)具有向下移動(dòng)的趨勢(shì)，并使節(jié)點(diǎn)水平弦桿產(chǎn)生下?lián)闲巫?，此時(shí)N1產(chǎn)生向上的拉伸變形。

表2 應(yīng)變花1、2受力情況

3 節(jié)點(diǎn)試件有限元分析

圖5 節(jié)點(diǎn)有限元模型

本試驗(yàn)采用美國(guó)MSC公司的三維仿真分析軟件MSC.Marc對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行非線性有限元分析[20]。先用ABAQUS軟件建模并進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分，通過數(shù)據(jù)鏈接接口將定義好的模型導(dǎo)入MSC.Marc軟件進(jìn)行非線性有限元分析，有限元模型如圖5所示。有限元模型中試件的幾何尺寸和實(shí)測(cè)模型一致，桿件的材料屬性根據(jù)鋼材屬性定義，鋼管材料的彈性模量為2.05×105MPa，泊松比取值為0.3，材料密度為7 850 kg/m3。模型中選擇實(shí)體單元solid模擬兩斜腹桿、豎桿、下弦桿4根桿件，一共劃分為17 310個(gè)單元。以節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)中測(cè)出的腹桿內(nèi)力作為節(jié)點(diǎn)有限元模型的荷載，輸入到新的節(jié)點(diǎn)模型中，計(jì)算得出試件的應(yīng)力分布，作為試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。

為了與試驗(yàn)中應(yīng)力分布的情況相對(duì)比，在有限元模型中兩斜腹桿所施加的荷載取自表2中第2～5組數(shù)據(jù)，將這4組試驗(yàn)數(shù)據(jù)由應(yīng)力換算成面力施加到拉腹桿、壓腹桿的截面上，再進(jìn)行有限元模型的計(jì)算。將計(jì)算所得的4組數(shù)據(jù)輸入到Marc模型中進(jìn)行靜力有限元計(jì)算，得到下弦桿的應(yīng)力與試驗(yàn)所得的應(yīng)力進(jìn)行比較，從而得到應(yīng)力分布的規(guī)律。圖6為輸入表2中第2～5組數(shù)據(jù)得到的應(yīng)力分布情況(圖中應(yīng)力單位為MPa)。

由第2組數(shù)據(jù)的應(yīng)力分布圖可知，應(yīng)變花1處的應(yīng)力為-65.5～-122.1 MPa，應(yīng)變花2處的應(yīng)力為-9.0～47.5 MPa；由第3組數(shù)據(jù)的應(yīng)力分布圖可知，應(yīng)變花1處的應(yīng)力為-82.0～-170.1 MPa，應(yīng)變花2處的應(yīng)力為62.51～94.45 MPa；由第4組數(shù)據(jù)的應(yīng)力分布圖可知，應(yīng)變花1處的應(yīng)力為-110.7～-246.9 MPa，應(yīng)變花2處的應(yīng)力為25.47～161.7 MPa；由第5組數(shù)據(jù)的應(yīng)力分布圖可知，應(yīng)變花1處的應(yīng)力為-114.7～-255.2 MPa，應(yīng)變花2處的應(yīng)力為25.8～166.3 MPa。對(duì)于拉桿試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與模型的應(yīng)力分布基本吻合，變化較一致。這些位置的應(yīng)力沒超過設(shè)計(jì)強(qiáng)度215 MPa，滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

圖6 有限元主應(yīng)力分布圖

4 結(jié)論

1)試驗(yàn)結(jié)果表明，加載中拉桿最大拉力為182.36 kN，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)拉力82.42 kN，壓桿最大壓力為-46.11 kN，大于設(shè)計(jì)壓力-43.91 kN，承載能力遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值，節(jié)點(diǎn)有較大安全儲(chǔ)備。

2)每一次加載之后，拉桿應(yīng)力與壓桿應(yīng)變變化趨勢(shì)相同，同時(shí)增大或減小，這與桿件變形趨勢(shì)有關(guān)系。

3)在拉壓力作用下，焊接節(jié)點(diǎn)斜腹桿下弦桿節(jié)點(diǎn)區(qū)域附近應(yīng)力變化與所加荷載作用基本一致，試驗(yàn)數(shù)值與有限元分析數(shù)值基本上吻合。

4)對(duì)于受力比較復(fù)雜的鋼管焊接節(jié)點(diǎn)，在滿足國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范的前提下應(yīng)加強(qiáng)對(duì)焊接節(jié)點(diǎn)的要求，減少應(yīng)力集中。

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(責(zé)任編輯：郎偉鋒)

Experimental Research on Welded Joints of Steel Pipe Truss in Tilted Belly Poles

DENGShasha,CHENSitian*,WANGWenzhi,YANGYang

(SchoolofCivilEngineering,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China)

Combined with the stress characteristics of the welded joints of the steel tubular truss in the real construction, the MSC.Marc software is used in the finite element model to establish the solid model to conduct the static loading test and study the stress performance and the changing condition. The finite element analysis of the stress distribution is made in the loading force of the welded joint of the sample. Then, the theoretical result of the finite element calculation is compared with the obtained test results to verify the correctness of the design. The test results show that the joint is stronger than the connected pole and is enough to meet the stress requirement of the overall structure, also the finite element analysis matches the test well, but the regional stress of the joint is more complicated and the stress concentration is more obvious.

steel pipe truss joint；static experiment；finite element analysis；mechanical performance

2016-11-01

鄧莎莎(1992—)，女，重慶人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)以及復(fù)合結(jié)構(gòu)，E-mail：397939412@qq.com.

*通訊作者：陳思甜(1963—)，男，重慶人，教授，國(guó)家一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師，主要研究方向?yàn)樾陆Y(jié)構(gòu)、新材料，E-mail：sitianchen@qq.com.

10.3969/j.issn.1672-0032.2017.01.011

TU392.3

A

1672-0032(2017)01-0064-06