王夢(mèng)磊， 周 安， 史 綱， 劉向華

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.安徽土木工程結(jié)構(gòu)與材料省級(jí)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230009；3.中鐵四局鋼結(jié)構(gòu)有限公司，安徽 合肥 230022）

鑄鋼節(jié)點(diǎn)由于其整體性好、強(qiáng)度高、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在近幾年越來(lái)越好地應(yīng)用于工程界［1］。專家學(xué)者對(duì)不同種類的鑄鋼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了大量的研究，文獻(xiàn)［2］對(duì)廣州國(guó)際會(huì)展中心鑄鋼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了有限元分析和試驗(yàn)；文獻(xiàn)［3］對(duì)黃金樹(shù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了受力性能研究分析；文獻(xiàn)［4］對(duì)T型鑄鋼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了不同參數(shù)分析；文獻(xiàn)［5］對(duì)徐州火車站張弦桁架KK型鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)［6］對(duì)板式鑄鋼節(jié)點(diǎn)靜力性能進(jìn)行了研究。盡管各專家學(xué)者都對(duì)鑄鋼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了大量的研究，我國(guó)也在2008年頒布了鑄鋼節(jié)點(diǎn)規(guī)范，但由于其外形的多樣性、受力的復(fù)雜性等特點(diǎn)，規(guī)范較難對(duì)各種類型節(jié)點(diǎn)做統(tǒng)一規(guī)定。鑒于此，進(jìn)一步開(kāi)展對(duì)形狀各異、受力復(fù)雜的鑄鋼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究，既能對(duì)規(guī)范提供補(bǔ)充，也能為將來(lái)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)等提供參考。

1 工程概況與試件構(gòu)造

南昌西客站又稱南昌西站，是一個(gè)集鐵路、地鐵和市政交通設(shè)施于一體的大型綜合交通樞紐?？傄?guī)模為16臺(tái)30線，其中高速場(chǎng)10臺(tái)19線，綜合場(chǎng)6臺(tái)11線，高速場(chǎng)和綜合場(chǎng)均擁有側(cè)式站臺(tái)各1個(gè)，站房總建筑面積約24×104m2。站臺(tái)雨棚主體結(jié)構(gòu)為倒“△”形管桁架形式，其中桁架梁與鋼立柱交匯處通過(guò)鑄鋼節(jié)點(diǎn)連接，如圖1所示。由圖1可知，節(jié)點(diǎn)支撐著整個(gè)鋼網(wǎng)架，且節(jié)點(diǎn)材質(zhì)均勻與否未知，受荷狀態(tài)比較復(fù)雜，為了了解節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)，參照規(guī)范要求，本文對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行足尺模型試驗(yàn)。

圖1 鋼網(wǎng)架立面圖

由圖1可知，Y型節(jié)點(diǎn)支管與桁架下弦相連，主管固定于鋼管混凝土柱上。節(jié)點(diǎn)具體構(gòu)造及外形如圖2所示，整個(gè)鑄鋼節(jié)點(diǎn)主要由主管和支管2個(gè)部分組成，其中在支管相交中心部位有圓形雨水管，2個(gè)支管中心對(duì)稱。

圖2 Y型鑄鋼節(jié)點(diǎn)

鑄鋼節(jié)點(diǎn)主要尺寸為：外輪廓1 312mm×1 100mm（高×寬），主管最大內(nèi)、外徑分別為503mm和550mm，厚度為55mm，支管內(nèi)、外徑分別為200mm和250mm，環(huán)形加勁板厚度為60mm，2個(gè)支管交角為77°，各截面之間倒角從R30～R200不等。鑄鋼節(jié)點(diǎn)材料選用文獻(xiàn)［7］中的GS－20Mn5V調(diào)質(zhì)，其化學(xué)成分與機(jī)械性能見(jiàn)表1、表2所列。

表1 鑄鋼材料主要化學(xué)成分 %

表2 鑄鋼材料機(jī)械性能

2 試驗(yàn)荷載及裝置

2.1 試驗(yàn)荷載

文獻(xiàn)［8］規(guī)定鑄鋼節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)荷載不應(yīng)小于設(shè)計(jì)荷載的1.3倍，支管設(shè)計(jì)荷載如下：受壓荷載為－2 400kN，面內(nèi)彎矩為175kN·m、面外彎矩490kN·m。

節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)分為3個(gè)工況：工況1，為預(yù)加載工況，最終荷載達(dá)到試驗(yàn)荷載的1／2；工況2，為正式加載工況，最終荷載達(dá)到試驗(yàn)荷載；工況3，為卸載工況，最終荷載減至0。

各工況設(shè)置情況見(jiàn)表3所列。

表3 試驗(yàn)荷載工況

2.2 反力架裝置

根據(jù)鑄鋼節(jié)點(diǎn)的受力特點(diǎn)及構(gòu)造尺寸設(shè)計(jì)鑄鋼節(jié)點(diǎn)的自平衡反力架如圖3a所示。整個(gè)反力架成棱柱形，分為上、中、下3層，平面形狀為等腰三角形，外輪廓尺寸為5 592mm×5 592mm×5 745mm×3 100mm，主要采用Q345B鋼材，根部均錨固于混凝土地面，節(jié)點(diǎn)水平放置，主管端部固定于反力架。為方便在節(jié)點(diǎn)上施加彎矩，試驗(yàn)采用2個(gè)剛度足夠大的T梁作為介質(zhì)施加荷載，如圖3b所示。支管使用千斤頂1施加軸向壓力，千斤頂2施加等效彎矩Mx，千斤頂3及千斤頂4組成力偶施加等效彎矩My。

圖3 自平衡反力架

2.3 測(cè)點(diǎn)布置

參照初步有限元分析結(jié)果，支管端部周邊、支管與主管相交處、2個(gè)支管和雨水管相交處為應(yīng)力復(fù)雜區(qū)域，試驗(yàn)中主要在這些部位布置測(cè)點(diǎn)。但鑒于反力架內(nèi)部操作空間的局限性，部分測(cè)點(diǎn)無(wú)法直接布置在峰值應(yīng)力處，只在峰值附近區(qū)域設(shè)置測(cè)點(diǎn)。應(yīng)變數(shù)據(jù)均通過(guò)三向應(yīng)變花進(jìn)行采集，節(jié)點(diǎn)共布置24個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)位置如圖4所示。

圖4 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖

3 數(shù)值模擬和有限元對(duì)比分析

3.1 屈服準(zhǔn)則

工程上常用的屈服準(zhǔn)則有5種，分別為T(mén)resca準(zhǔn)則、Von Mises準(zhǔn)則 、Mohr－Coulomb準(zhǔn)則、Drucker－Prager準(zhǔn)則及 Zienkiewicz－Pande準(zhǔn)則。前2種主要適用于金屬材料，后3種主要適用于混凝土及巖土材料。Tresca屈服準(zhǔn)則沒(méi)有考慮中間應(yīng)力的影響，使用不便；而Von Mises屈服準(zhǔn)則考慮了中間應(yīng)力的影響，使用方便。Von Mises準(zhǔn)則的表達(dá)式如下：

其中，σx、σy、σz為測(cè)點(diǎn)x、y、z方向的正應(yīng)力；τxy、τyz、τzx為測(cè)點(diǎn)x、y、z方向的剪應(yīng)力。

由（1）式可以看出，只有在6個(gè)應(yīng)力分量都已知的情況下，才能得到測(cè)點(diǎn)的Mises應(yīng)力值。但應(yīng)變花只能夠采集到平面內(nèi)的3個(gè)應(yīng)力分量，無(wú)法求解。由文獻(xiàn)［9］知，工作中的鑄鋼節(jié)點(diǎn)雖然沿壁厚有一定的應(yīng)力分量，但其對(duì)整體計(jì)算結(jié)果影響不大，故可以采用簡(jiǎn)化的Von Mises［10］公式進(jìn)行計(jì)算，該公式為：

其中，ε1、ε2、ε3為應(yīng)變花所測(cè)得應(yīng)變；σ1、σ2為測(cè)點(diǎn)第一、二主應(yīng)力；fy為屈服強(qiáng)度；ν為泊松比，取0.27。

3.2 有限元分析

3.2.1 有限元分析結(jié)果

運(yùn)用大型通用有限元軟件Workbench對(duì)Y型鑄鋼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值模擬。采用導(dǎo)入三維CAD實(shí)體模型的方法完成節(jié)點(diǎn)主要建模過(guò)程。模型中Y型節(jié)點(diǎn)單元選用solid187，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.27。試驗(yàn)結(jié)果采用等效Mises應(yīng)力表示，Y型鑄鋼節(jié)點(diǎn)在工況2下的Von Mises應(yīng)力云圖和整體位移圖如圖5所示。

圖5 工況2下節(jié)點(diǎn)Von Mises應(yīng)力及位移圖

有限元模擬結(jié)果顯示，南昌西站Y型鑄鋼節(jié)點(diǎn)在試驗(yàn)荷載作用下，最大Mises應(yīng)力值為232MPa，位于支管與主管相交處，同時(shí)支管端部處應(yīng)力也達(dá)到200MPa，其余部位應(yīng)力值相對(duì)較低。

3.2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及對(duì)比

部分測(cè)點(diǎn)的折算Mises應(yīng)力如圖6所示。

圖6 部分測(cè)點(diǎn)的Mises應(yīng)力

由圖6可知，Mises應(yīng)力曲線變化基本光滑，沒(méi)有出現(xiàn)應(yīng)力值過(guò)大的現(xiàn)象，表明節(jié)點(diǎn)仍在彈性范圍內(nèi)工作。試驗(yàn)最大折算Mises應(yīng)力達(dá)到223MPa，對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)理論數(shù)值則為232MPa，相差3.4%。理論值與試驗(yàn)值對(duì)比見(jiàn)表4所列，由表4可知，試驗(yàn)結(jié)果均在理論分析范圍之內(nèi)，試驗(yàn)效果良好，同時(shí)也從反面驗(yàn)證了ANSYS－Workbench模擬結(jié)果的合理性。

表4 工況2下部分節(jié)點(diǎn)Mises應(yīng)力試驗(yàn)值與計(jì)算值

4 雨水管及彎矩對(duì)節(jié)點(diǎn)影響

4.1 極限荷載下雨水管對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力的影響

南昌西站Y型鑄鋼節(jié)點(diǎn)在小管相交處存在雨水管，直徑為180mm。對(duì)比雨水管存在與否對(duì)節(jié)點(diǎn)受力性能的影響，分析所得節(jié)點(diǎn)的極限Von Mises應(yīng)力云圖如圖7、圖8所示。

圖7 有雨水管時(shí)節(jié)點(diǎn)極限承載力及應(yīng)力云圖

圖8 無(wú)雨水管時(shí)節(jié)點(diǎn)極限承載力及應(yīng)力云圖

由圖7、圖8可知，有、無(wú)雨水管節(jié)點(diǎn)的極限承載力分別為設(shè)計(jì)荷載的4.7倍和4.8倍，節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布及位移分布相差都不大，表明雨水管的存在并未對(duì)Y型鑄鋼節(jié)點(diǎn)受力產(chǎn)生過(guò)大影響。

4.2 彎矩對(duì)節(jié)點(diǎn)極限軸力的影響

南昌西站Y型鑄鋼節(jié)點(diǎn)存在較大的彎矩，面內(nèi)和面外設(shè)計(jì)彎矩分別達(dá)到175kN·m和490kN·m，過(guò)大的彎矩也可能對(duì)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布和極限軸力產(chǎn)生影響。本文利用Workbench軟件分析彎矩對(duì)節(jié)點(diǎn)極限軸向力的影響，分析方法為：保持軸向力不變，把試驗(yàn)彎矩分成5級(jí)加載，分別利用非線性有限元法計(jì)算每組荷載下所對(duì)應(yīng)的極限軸向力，見(jiàn)表5所列。其中，1組只有軸力，2～6組包含軸向力和彎矩；Nz、Mx、My分別為節(jié)點(diǎn)承受的軸力、面內(nèi)彎矩和面外彎矩；NS為節(jié)點(diǎn)的極限軸力。

表5 各組荷載下所對(duì)應(yīng)的極限軸力

由表6可知，在保持初始軸力不變的情況下，隨著節(jié)點(diǎn)初始彎矩從0增加到設(shè)計(jì)彎矩，節(jié)點(diǎn)的極限軸力從30 960kN減小到11 220kN，分別是初始軸力的12.9倍和4.7倍，極限軸力的變化比較明顯，可以得出彎矩對(duì)節(jié)點(diǎn)極限軸力的影響比較大。

5 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)南昌西站Y型鑄鋼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)研究及理論數(shù)值模擬，分析節(jié)點(diǎn)中彎矩及雨水管的存在對(duì)其影響，可得出如下結(jié)論：

（1）南昌西站Y型鑄鋼節(jié)點(diǎn)在規(guī)程規(guī)定的試驗(yàn)荷載作用下，仍具有較高的后續(xù)工作能力，滿足規(guī)范要求。

（2）南昌西站Y型鑄鋼節(jié)點(diǎn)雨水管處在受力較小位置，不會(huì)對(duì)節(jié)點(diǎn)受力產(chǎn)生太大影響。

（3）彎矩對(duì)節(jié)點(diǎn)的極限軸力影響比較大。在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮該因素。

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