高治昌,李海旺,秦冬祺

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

復(fù)雜鑄鋼節(jié)點(diǎn)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(xué) a.建筑與土木工程學(xué)院; b.力學(xué)學(xué)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(chǔ)上，采用有限元模擬方法對(duì)山西某博物院館的單層折面鋼管網(wǎng)殼的典型鑄鋼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)荷載下承載力驗(yàn)算、極限荷載評(píng)定、地震下的耗能能力分析。分析表明:該鑄鋼節(jié)點(diǎn)具有足夠的安全儲(chǔ)備;節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)荷載下為彈性工作狀態(tài),其應(yīng)力峰值出現(xiàn)在管件交匯倒角處。在承載力極限狀態(tài)該節(jié)點(diǎn)支管靠近相貫面處發(fā)生局部屈曲破壞,極限荷載為設(shè)計(jì)荷載的5.7倍,表明節(jié)點(diǎn)進(jìn)入塑性后還有很大的承載潛力;該鑄鋼節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)在水平方向下的耗能能力得到了明顯改善。

鑄鋼節(jié)點(diǎn);極限承載力;滯回曲線;耗能能力;空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

近年來(lái),地震災(zāi)害的頻繁發(fā)生對(duì)空間鋼結(jié)構(gòu)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(shù)造型要求,采用了復(fù)雜奇異的體型,造成常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)的需求,為此很多工程師選擇鑄鋼節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜體系的建造。

但目前對(duì)鑄鋼節(jié)點(diǎn)承載力的驗(yàn)算和抗震性能評(píng)定還沒(méi)有統(tǒng)一的方法,很多重要工程采用試驗(yàn)或有限元模擬分析的方法進(jìn)行節(jié)點(diǎn)域的承載力和抗震性能設(shè)計(jì),如:陳海洲、張其林等人對(duì)杭州灣觀光塔鑄鋼節(jié)點(diǎn)的疲勞性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究[1];鄭洪志、童樂(lè)為等人對(duì)哈爾濱會(huì)展體育中心屋架鑄鋼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了足尺試驗(yàn),并利用有限元軟件分析了該鑄鋼節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)荷載下的力學(xué)性能[2];宋杰、李陽(yáng)等對(duì)杭州國(guó)際會(huì)議中心的巨型鑄鋼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,并通過(guò)有限元分析軟件研究了該節(jié)點(diǎn)在2倍和3倍設(shè)計(jì)荷載下的力學(xué)性能[3];賈連光、杜欽欽等人對(duì)X型鑄鋼節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)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(duì)該節(jié)點(diǎn)極限承載力的影響[4];盧云祥、蔡元奇等人也對(duì)某大型復(fù)雜鑄鋼節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)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(jié)點(diǎn)有限元模擬中的意義[5];羅永峰、韋艷娜等人對(duì)重慶渝北體育館的鑄鋼節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和極限承載力做了有限元分析,并研究了過(guò)度圓弧半徑對(duì)過(guò)渡區(qū)域應(yīng)力集中的影響[6];邵永松、李承柱等人對(duì)梁柱鑄鋼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了滯回性能有限元分析[7]。

筆者參考上述文獻(xiàn)的做法,采用ABAQUS有限元軟件對(duì)山西某博物院館的單層折面鋼管網(wǎng)殼的復(fù)雜鑄鋼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了分析設(shè)計(jì),提出了一種分析評(píng)價(jià)此類鑄鋼節(jié)點(diǎn)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(jié)構(gòu)屋蓋形狀極不規(guī)則,其部分結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 博物館造型圖

該市抗震設(shè)防烈度為8度,博物院是人員集中之地,其災(zāi)難地震下的安全性不言而喻。該博物館屋蓋結(jié)構(gòu)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(wǎng)殼結(jié)構(gòu)體系。因多處節(jié)點(diǎn)交匯桿件多且角度太小,故采用了鑄鋼節(jié)點(diǎn)。本文以圖2 中典型復(fù)雜節(jié)點(diǎn)js-5為例介紹該工程的鑄鋼節(jié)點(diǎn)的分析驗(yàn)算方法。軟件采用ABAQUS，主要進(jìn)行了該鑄鋼節(jié)點(diǎn)承載力驗(yàn)算、極限荷載評(píng)定、災(zāi)難地震下的滯回性能分析。

圖2 屋面結(jié)構(gòu)圖

2 有限元模型

2.1 幾何模型及單元?jiǎng)澐?/p>

js-5鑄鋼節(jié)點(diǎn)模型如圖3所示,相連桿件規(guī)格如表1所示。因桿件交匯較多, 計(jì)算分析采用三維實(shí)體單元,并將桿件交匯處弧形桿腳區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密。該鑄鋼節(jié)點(diǎn)有限元網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖3 js-5鑄鋼節(jié)點(diǎn)模型 圖4 網(wǎng)格劃分

表1 節(jié)點(diǎn)js-5連接桿件截面

2.2 材料模型

該工程鋼管采用Q235B級(jí)鋼,鑄鋼節(jié)點(diǎn)與桿件采用焊接連接,要求節(jié)點(diǎn)材料力學(xué)性能必須滿足設(shè)計(jì)要求外, 還須具有良好的可焊性能。根據(jù)文獻(xiàn)經(jīng)驗(yàn),選取德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的調(diào)質(zhì)處理 GS-20Mn5V 號(hào)鑄鋼材料[17-19],其機(jī)械性能見(jiàn)表2。計(jì)算中材料模型采用雙線性強(qiáng)化彈塑性模型,彈性模量為E=2.06×105MPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為360 MPa，屈服后的切線模量為1 000 MPa，極限塑性應(yīng)變?yōu)?.24。

表2 鑄鋼力學(xué)性能

3 節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)荷載下的承載力驗(yàn)算

3.1 有限元模型邊界條件和加載

根據(jù)節(jié)點(diǎn)在結(jié)構(gòu)中的位置,在桿1下端部與下部結(jié)構(gòu)相交處施加固定約束。

節(jié)點(diǎn)受力是將鋼管的內(nèi)力轉(zhuǎn)化為鑄鋼節(jié)點(diǎn)伸管端部的面荷載,分級(jí)單調(diào)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(jié)點(diǎn)荷載設(shè)計(jì)值

3.2 有限元計(jì)算結(jié)果及分析

3.2.1設(shè)計(jì)承載力驗(yàn)算

將最不利設(shè)計(jì)荷載工況下各管件內(nèi)力施加到有限元模型中, 得到 Mises 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖5所示。最大應(yīng)力值為190.8 MPa,位于桿1和桿5相貫面處(圖中黑點(diǎn)處)。

圖5 設(shè)計(jì)荷載下的mises應(yīng)力云圖

鑄鋼材料的等效強(qiáng)度設(shè)計(jì)值可由(1)式計(jì)算[8]:

(1)

式中:β為考慮塑性區(qū)域開(kāi)展的有效應(yīng)力系數(shù),根據(jù)文獻(xiàn)[9]可取1.1;fy是材料的屈服強(qiáng)度;γR是鋼材的抗力分項(xiàng)系數(shù), 對(duì)于鑄鋼材料, 由于統(tǒng)計(jì)資料還不充分,取1.282; 根據(jù)規(guī)定, 當(dāng)結(jié)構(gòu)較重要時(shí), 安全等級(jí)提高一級(jí), 相應(yīng)的結(jié)構(gòu)可靠度指標(biāo)提高0.5,故結(jié)構(gòu)抗力除以1.1的折減系數(shù)。對(duì)于該鑄鋼節(jié)點(diǎn), 屈服強(qiáng)度為360 MPa,其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為:

由圖5可知,應(yīng)力值最大為190.8 MPa<281 MPa。由此可見(jiàn),節(jié)點(diǎn)承載力設(shè)計(jì)滿足要求。

3.2.2節(jié)點(diǎn)極限承載力計(jì)算

依據(jù)該節(jié)點(diǎn)的受力形態(tài),逐步單調(diào)比例增加各相連桿件的桿端力,使節(jié)點(diǎn)進(jìn)入彈塑性階段直至破壞。計(jì)算時(shí)考慮幾何與材料雙重非線性。

圖6為各桿加載點(diǎn)荷載位移曲線。由圖中曲線可知,在相同荷載倍數(shù)下桿5的桿端位移相對(duì)值最大,其先于其他桿件進(jìn)入屈服,當(dāng)比例加載至5.7倍的設(shè)計(jì)荷載時(shí),桿5的管口位移首次增大為管徑的3%。根據(jù)文獻(xiàn)[10]的評(píng)定方法,可評(píng)定5.7倍設(shè)計(jì)荷載時(shí),鑄鋼節(jié)點(diǎn)喪失承載能力,達(dá)到承載能力極限狀態(tài)。

圖6 管口荷載-相對(duì)位移曲線

節(jié)點(diǎn)在各工況下的極限承載力均超過(guò)設(shè)計(jì)荷載值 3. 0 倍,滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2.3節(jié)點(diǎn)在循環(huán)往復(fù)荷載下的延性性能

地震作用對(duì)建筑物的影響在性質(zhì)上是動(dòng)力作用,但其振動(dòng)頻率很低,可以用偽靜力方法研究其在動(dòng)力下的延性性能。筆者采用偽靜力模擬地震作用,對(duì)鑄鋼節(jié)點(diǎn)施加低周往復(fù)荷載,考察其在地震下的延性性能和耗能能力。

由于該節(jié)點(diǎn)中桿1直接與下部結(jié)構(gòu)相連,地震作用通過(guò)該連接傳給上部屋蓋結(jié)構(gòu),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(jié)點(diǎn)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(guò)右手螺旋定則確定)往復(fù)漸進(jìn)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(fù)漸進(jìn)位移,其余倆方向位移為0;在桿1端施加一系列Z向往復(fù)漸進(jìn)位移荷載,其余倆方向位移為0。循環(huán)位移峰值從1 mm增加到10 mm,每級(jí)遞增1 mm,節(jié)點(diǎn)的循環(huán)加載曲線見(jiàn)圖7。

圖7 位移加載曲線

計(jì)算時(shí)考慮幾何與材料雙重非線性。

目前對(duì)構(gòu)件的耗能能力沒(méi)有統(tǒng)一的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),常用耗能系數(shù)E來(lái)衡量構(gòu)件各階段的耗能能力,根據(jù)我國(guó)《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》(JGJ101—96)的規(guī)定,這個(gè)指標(biāo)用構(gòu)件的載荷-位移滯回曲線所包圍的面積大小來(lái)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(dá)式為:

圖8 耗能系數(shù)計(jì)算簡(jiǎn)圖

有限元得出的荷載-位移關(guān)系的滯回曲線,如圖9所示。

圖9 節(jié)點(diǎn)滯回曲線

經(jīng)計(jì)算,在X、Y、Z三個(gè)方向循環(huán)荷載作用下該節(jié)點(diǎn)的耗能系數(shù)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(shù)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(shù)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(jié)點(diǎn)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(duì)節(jié)點(diǎn)延性及耗能能力的影響

若要改善該節(jié)點(diǎn)的水平滯回性能,在該節(jié)點(diǎn)上增加加勁肋,此加勁肋不影響節(jié)點(diǎn)的使用,肋板是邊長(zhǎng)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(jié)點(diǎn)網(wǎng)格劃分圖如圖10所示。

同時(shí)其他條件不變，模擬得位移荷載滯回曲線如圖11所示。

計(jì)算得,在X、Y、Z三個(gè)方向循環(huán)荷載作用下該節(jié)點(diǎn)的耗能系數(shù)E分別為Ex=1.19，Ey=1.15，Ez=1.61,較不加加勁肋耗能系數(shù)得到了提高。X，Y，Z三個(gè)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(qiáng)很明顯。

圖10 帶加勁肋布置示意圖和節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格劃分

圖11 布置加勁肋后節(jié)點(diǎn)滯回曲線

4 結(jié)論

該鑄鋼節(jié)點(diǎn)滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求,具有足夠的安全儲(chǔ)備。節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)荷載下為彈性工作狀態(tài),其應(yīng)力峰值出現(xiàn)在管件交匯倒角處。在極限荷載下該節(jié)點(diǎn)支管靠近相貫面處發(fā)生局部屈曲破壞,極限荷載為設(shè)計(jì)荷載的5.7倍,節(jié)點(diǎn)進(jìn)入塑性后還能有相當(dāng)大的承載潛力發(fā)揮。

分析此類復(fù)雜鑄鋼節(jié)點(diǎn)在災(zāi)難地震下的工作性能,建議研究該類節(jié)點(diǎn)在豎向和兩個(gè)水平向下的滯回性能,這樣能比較真實(shí)地模擬節(jié)點(diǎn)在地震作用下的受力情況。

該鑄鋼節(jié)點(diǎn)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(qiáng),具有很好的延性和耗能能力。

若增加加勁肋,節(jié)點(diǎn)在水平方向下的滯回性能明顯加強(qiáng),節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)疲勞性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2009,30(5):149-154.

[2] 鄭洪志，童樂(lè)為. 哈爾濱會(huì)展體育中心屋架鑄鋼節(jié)點(diǎn)性能研究[J].工業(yè)建筑,2005,35(11):35-38.

[3] 宋杰，李陽(yáng). 杭州國(guó)際會(huì)議中心巨型鑄鋼節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)(增刊)(1994-2010):98-110.

[4] 賈連光，杜欽欽. 斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)鑄鋼節(jié)點(diǎn)承載力有限元分析[J].沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,27(5):852-858.

[5] 盧云祥，蔡元奇. 大型鑄鋼節(jié)點(diǎn)極限荷載及破壞機(jī)理分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2010,33(12):71-77.

[6] 羅永峰，韋艷娜. 重慶渝北體育館鑄鋼節(jié)點(diǎn)有限元分析[J].結(jié)構(gòu)工程師,2010,26(4):52-56.

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[8] 蔡建國(guó)，馮健.大型鑄鋼節(jié)點(diǎn)的工程應(yīng)用和分析[J].鋼結(jié)構(gòu),2008,23(04):13-17.

[9] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部. GB50017-2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2003.

[10] 趙先忠，陳以一. 建筑用鑄鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的若干關(guān)鍵問(wèn)題[J]. 結(jié)構(gòu)工程師,2009,25(4):11-18.

[11] 同濟(jì)大學(xué),清華大學(xué),中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)專家委員會(huì). CECS 235∶ 2008 鑄鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程 [S].北京:中國(guó)計(jì)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(guó)家自然科學(xué)基金(50878137)；山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目(20080321086)；山西省歸國(guó)留學(xué)基金項(xiàng)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(jié)構(gòu)，(Tel)15834062625

李海旺，教授，(Tel)13663510879

1007-9432(2014)01-0051-05

TU393.3

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