王綜軼　王元清　杜新喜　周　燕　衡月昆　宗　亮

(1武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，武漢　430072)(2清華大學(xué)土木工程安全與耐久教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100084)(3中國(guó)建筑西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安　710018)(4中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所，北京　100049)

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有機(jī)玻璃與不銹鋼連接節(jié)點(diǎn)承載性能試驗(yàn)研究

王綜軼1，2王元清2杜新喜1周燕3衡月昆4宗亮2

(1武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，武漢430072)
(2清華大學(xué)土木工程安全與耐久教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084)
(3中國(guó)建筑西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安710018)
(4中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所，北京100049)

摘要:為了得到滿足江門(mén)中微子探測(cè)器結(jié)構(gòu)使用要求的連接節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種有機(jī)玻璃與不銹鋼的連接方式，根據(jù)不銹鋼緊固件形式的不同，加工了3個(gè)節(jié)點(diǎn)試件．通過(guò)試驗(yàn)考察了節(jié)點(diǎn)試件的極限承載力及其在長(zhǎng)期荷載作用下的受力性能，并利用ABAQUS有限元軟件對(duì)節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行建模分析．結(jié)果表明:有機(jī)玻璃在長(zhǎng)期受力時(shí)會(huì)發(fā)生明顯的蠕變，節(jié)點(diǎn)試件在極限荷載作用下為脆性破壞;節(jié)點(diǎn)試件的極限承載力都能達(dá)到設(shè)計(jì)荷載的2倍以上;有機(jī)玻璃上測(cè)點(diǎn)的最大應(yīng)力為8．467 MPa．節(jié)點(diǎn)試件的加工過(guò)程中應(yīng)避免不銹鋼與有機(jī)玻璃的共同聚合，防止因變形差異而產(chǎn)生的初始缺陷，并且應(yīng)滿足溫度和光照的要求．

關(guān)鍵詞:中微子探測(cè)器;有機(jī)玻璃;不銹鋼;節(jié)點(diǎn)試件

引用本文:王綜軼，王元清，杜新喜，等．有機(jī)玻璃與不銹鋼連接節(jié)點(diǎn)承載性能試驗(yàn)研究［J］．東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，46(1) : 105 －109．DOI: 10．3969/j．issn．1001－0505．2016．01．018．

關(guān)于中微子的研究是物理領(lǐng)域中的前沿課題［1］．世界各國(guó)及組織研發(fā)了不同類(lèi)型的探測(cè)器來(lái)探測(cè)中微子［2－3］．2015年10月，日本和加拿大的科學(xué)家因其對(duì)中微子的研究而共同獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)．中國(guó)科學(xué)院計(jì)劃在江門(mén)建造一個(gè)直徑約35．5 m的球形有機(jī)玻璃球中微子探測(cè)器，其規(guī)模將達(dá)到世界之最．有機(jī)玻璃球+雙層不銹鋼網(wǎng)殼方案為江門(mén)中微子探測(cè)器的備選方案之一．該方案中有機(jī)玻璃與不銹鋼網(wǎng)殼的連接節(jié)點(diǎn)是研究的重點(diǎn)，直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全性．學(xué)者們對(duì)有機(jī)玻璃［4－5］和不銹鋼［6］的力學(xué)性能研究較多，但關(guān)于有機(jī)玻璃和不銹鋼共同作用時(shí)的受力性能則研究甚少．本文針對(duì)江門(mén)中微子探測(cè)器的使用要求，提出了一種有機(jī)玻璃與不銹鋼的連接方式．通過(guò)試驗(yàn)考察了該節(jié)點(diǎn)的承載性能，并利用有限元軟件進(jìn)行建模分析．

1　工程概況和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

江門(mén)中微子探測(cè)器有機(jī)玻璃球+雙層不銹鋼網(wǎng)殼方案示意圖見(jiàn)圖1［7－9］，其材料參數(shù)見(jiàn)表1．

圖1　有機(jī)玻璃球+不銹鋼網(wǎng)殼方案示意圖

表1　材料力學(xué)性能參數(shù)

有機(jī)玻璃的屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)低于不銹鋼，因此與不銹鋼連接時(shí)，有機(jī)玻璃更容易破壞．考慮到該工程的重要性以及20年使用年限的要求，應(yīng)嚴(yán)格控制有機(jī)玻璃上的應(yīng)力［10］．另外，由于該探測(cè)器位于地下700 m處，溫度變化較小，因此本文不考慮溫度對(duì)有機(jī)玻璃性能的影響．

根據(jù)以上分析，同時(shí)考慮到整體結(jié)構(gòu)計(jì)算中不銹鋼撐桿的最大軸力約為140 kN［7］，本文提出了如下連接方式:撐桿與主體玻璃通過(guò)不銹鋼緊固件和附加有機(jī)玻璃來(lái)連接．將緊固件預(yù)埋在附加玻璃中以增大撐桿與有機(jī)玻璃的接觸面積，而附加玻璃與主體玻璃進(jìn)行本體聚合，使各個(gè)部件形成一個(gè)整體．

2　試驗(yàn)

2．1節(jié)點(diǎn)試件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)試件示意圖如圖2(a)所示，主要由主體有機(jī)玻璃、附加有機(jī)玻璃和不銹鋼緊固件組成．主體玻璃的尺寸為1 800 mm×1 800 mm，厚度為120 mm;附加玻璃的高度為100 mm，與主體玻璃黏結(jié)處直徑為900 mm．

圖2　試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)中共加工了3個(gè)節(jié)點(diǎn)試件，分別編號(hào)為JD1，JD2，JD3，節(jié)點(diǎn)試件照片見(jiàn)圖2(b)～(d)．節(jié)點(diǎn)試件JD1緊固件上端為銷(xiāo)軸，而節(jié)點(diǎn)試件JD2 和JD3的緊固件上端為球鉸．在節(jié)點(diǎn)試件JD1和JD2的加工過(guò)程中，首先將不銹鋼與附加玻璃整體聚合，高溫處理后冷卻，然后再將其整體與主體玻璃聚合．加工完成后，節(jié)點(diǎn)試件JD1和JD2的附加玻璃上均存在空泡，究其原因在于不銹鋼與有機(jī)玻璃的線膨脹系數(shù)存在差異，兩者共同聚合后，在高溫處理并冷卻的過(guò)程中變形程度不等．而節(jié)點(diǎn)試件JD3中，采用橡膠包圍不銹鋼作為緩沖層，并且沒(méi)有與附加玻璃聚合，因此附加玻璃上不存在空泡．此外，在節(jié)點(diǎn)試件JD3的加工工程中，溫度和光照達(dá)標(biāo)，故該試件的初始缺陷較?。?/p>

2．2加載方法及測(cè)點(diǎn)布置

考慮到試件的自重等因素，當(dāng)千斤頂實(shí)際加載到155 kN時(shí)，試件所承受的力達(dá)到設(shè)計(jì)荷載．為考慮實(shí)際施工過(guò)程中安裝偏差的影響，對(duì)節(jié)點(diǎn)試件JD1和JD2進(jìn)行了斜拉加載，拉桿傾角為5°，加載裝置見(jiàn)圖3(a)．對(duì)于節(jié)點(diǎn)試件JD3，為考察該類(lèi)節(jié)點(diǎn)在理想狀態(tài)下的極限承載力，設(shè)計(jì)為直拉加載，加載裝置見(jiàn)圖3(b)．

加載過(guò)程如下:①預(yù)加載．千斤頂加載至20 kN，觀察是否存在較大位移，若有則調(diào)整裝置，然后卸載．②分步加載．首先加載至15 kN，然后每步增加20 kN，直至155 kN．③持續(xù)加載．加載至155 kN后，擰緊絲杠下端的高強(qiáng)螺母;然后千斤頂緩慢卸載，同時(shí)不斷擰緊高強(qiáng)螺母;最后千斤頂?shù)牧π稙? kN，通過(guò)2根絲杠來(lái)提供荷載，此過(guò)程持續(xù)10 d．④破壞加載．用千斤頂加載直至試件破壞．為節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間，持續(xù)加載步僅在針對(duì)節(jié)點(diǎn)試件JD1的試驗(yàn)中進(jìn)行．

應(yīng)變花主要分布在附加玻璃表面(簡(jiǎn)記為A)、主體玻璃上側(cè)(簡(jiǎn)記為B)和主體玻璃下側(cè)(簡(jiǎn)記為C)，如圖4(a)～(c)所示．由于測(cè)點(diǎn)過(guò)多，圖中僅給出了每個(gè)試驗(yàn)中應(yīng)力最大的測(cè)點(diǎn)．測(cè)點(diǎn)A8-2表示第2個(gè)試驗(yàn)中附加玻璃上表面A8測(cè)點(diǎn)，其余測(cè)點(diǎn)含義可據(jù)此類(lèi)推．3次試驗(yàn)中位移測(cè)點(diǎn)的位置均不相同，且都在主體玻璃或附加玻璃上表面，位移測(cè)點(diǎn)見(jiàn)圖4(d)～(f)．位移計(jì)簡(jiǎn)記為W．

圖3　加載裝置示意圖

圖4　測(cè)點(diǎn)布置圖

2．3試驗(yàn)結(jié)果及分析

2．3．1試驗(yàn)現(xiàn)象和破壞狀態(tài)

節(jié)點(diǎn)試件JD1的預(yù)加載和分步加載均無(wú)明顯現(xiàn)象．持續(xù)加載1～2 d時(shí)，在初始缺陷處出現(xiàn)第1條環(huán)向脫開(kāi)層;持續(xù)加載3～5 d時(shí)，脫開(kāi)層沿環(huán)向逐步發(fā)展，最終穩(wěn)定在2/3圓周處;持續(xù)加載6～10 d時(shí)，在附加玻璃邊緣均勻出現(xiàn)了氣泡．在破壞加載階段，當(dāng)千斤頂加載至240 kN時(shí)，試件發(fā)出響聲，且初始脫開(kāi)面出現(xiàn)擴(kuò)展現(xiàn)象，隨著荷載的繼續(xù)增加，不斷產(chǎn)生開(kāi)裂聲;當(dāng)加載至288 kN時(shí)，主體玻璃開(kāi)裂破壞，裂縫從附加玻璃邊緣發(fā)展至主體玻璃(見(jiàn)圖5(a) )．

圖5　試件破壞狀態(tài)

節(jié)點(diǎn)試件JD2和JD3的預(yù)加載和分步加載過(guò)程中均無(wú)明顯現(xiàn)象．在破壞加載階段，對(duì)于節(jié)點(diǎn)試件JD2，當(dāng)荷載加至270 kN時(shí)，試件發(fā)出響聲，但無(wú)明顯位移，加載至325 kN時(shí)，試件發(fā)出一聲巨響并隨之破壞，裂縫從附加玻璃處開(kāi)始發(fā)展，最終貫穿整個(gè)試件;對(duì)于節(jié)點(diǎn)試件JD3，當(dāng)荷載加至513 kN時(shí)，發(fā)出一聲巨響，試件破壞，且附加玻璃上有一大塊玻璃飛出，裂縫分布均勻(見(jiàn)圖5(b) )．節(jié)點(diǎn)試件JD2和JD3均表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征．

2．3．2測(cè)量結(jié)果曲線與分析

由于篇幅的限制，本文只給出了部分測(cè)量結(jié)果(見(jiàn)圖6)．在持載過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)試件JD1中不同部件聚合的邊緣處產(chǎn)生了脫開(kāi)層或氣泡，這些都由聚合缺陷造成，在長(zhǎng)期荷載作用下，有機(jī)玻璃材料本身并沒(méi)有發(fā)生破壞．由圖6可知，破壞加載剛開(kāi)始時(shí)，測(cè)點(diǎn)初始位移以及由應(yīng)變所計(jì)算出的Mises應(yīng)力均不為零，說(shuō)明有機(jī)玻璃在長(zhǎng)期受力時(shí)發(fā)生了蠕變．

試件JD1，JD2，JD3的極限承載力分別為288，325，513 kN，均至少具有2倍的安全儲(chǔ)備．試件JD3的極限承載力明顯高于JD1和JD2，這是因?yàn)镴D3的加工工藝更好，受初始缺陷的影響較?。?/p>

由圖6(c)和(d)可知，有機(jī)玻璃從開(kāi)始加載直至破壞幾乎都處于彈性狀態(tài)．由圖5各試件破壞的形式可以看出，節(jié)點(diǎn)的破壞是由單條或多條裂縫發(fā)展至整個(gè)試件的，其破壞形式雖然是脆性的，但最終并不會(huì)像普通玻璃一樣呈碎片狀．

3　試驗(yàn)結(jié)果與有限元結(jié)果對(duì)比

利用通用有限元軟件ABAQUS對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模分析．建模時(shí)采用了C3D8R實(shí)體單元，不銹鋼與橡膠、有機(jī)玻璃與橡膠之間定義了面與面的接觸，附加玻璃與主體玻璃之間通過(guò)Tie命令來(lái)連接．試驗(yàn)結(jié)果與有限元結(jié)果的對(duì)比見(jiàn)表2．試件JD3上測(cè)點(diǎn)A7-3的荷載－應(yīng)力曲線見(jiàn)圖7．

表2　設(shè)計(jì)荷載作用下試驗(yàn)結(jié)果與有限元結(jié)果對(duì)比

圖6　測(cè)量結(jié)果曲線

由表2可知，3次試驗(yàn)中位移測(cè)點(diǎn)測(cè)值小于2 mm，因此位移不是主要控制因素．節(jié)點(diǎn)試件JD1上測(cè)點(diǎn)B5的試驗(yàn)值比有限元計(jì)算值大很多，這是由于試件JD1的初始缺陷導(dǎo)致了在試驗(yàn)過(guò)程中附加玻璃與主體玻璃接觸邊緣存在局部應(yīng)力集中的現(xiàn)象．由圖5(a)也可以看出，裂縫正是從此處產(chǎn)生并貫穿整個(gè)試件的．

試驗(yàn)中有機(jī)玻璃上測(cè)點(diǎn)的最大應(yīng)力為8．467 MPa，處于較低的水平．節(jié)點(diǎn)試件JD3上附加玻璃的最大應(yīng)力較JD1和JD2大，這是因?yàn)榇斯?jié)點(diǎn)試件上的附加玻璃聚合更完善，彈性模量達(dá)到要求．該節(jié)點(diǎn)試件的有限元結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，因此有限元計(jì)算結(jié)果可靠．

圖7　JD3上測(cè)點(diǎn)A7-3的試驗(yàn)與有限元結(jié)果對(duì)比

4　結(jié)論

1)對(duì)于本文提出的有機(jī)玻璃與不銹鋼的連接形式，3個(gè)節(jié)點(diǎn)試件的極限承載力分別為288，325，513 kN，具有2倍以上的安全儲(chǔ)備．試驗(yàn)中有機(jī)玻璃上測(cè)點(diǎn)的最大應(yīng)力為8．467 MPa，處于較低的水平．

2)有機(jī)玻璃在長(zhǎng)期受力作用下，蠕變現(xiàn)象明顯．在短時(shí)間內(nèi)直接加載至破壞，有機(jī)玻璃幾乎一直處于彈性階段．節(jié)點(diǎn)試件的破壞狀態(tài)表明，有機(jī)玻璃雖然是脆性破壞，但最終并不像普通玻璃一樣呈碎片狀，其破壞形式對(duì)人的危害更小，因此也適合在建筑結(jié)構(gòu)中使用．

3)節(jié)點(diǎn)試件加工時(shí)應(yīng)盡量避免不銹鋼與有機(jī)玻璃的共同聚合，因?yàn)橛袡C(jī)玻璃與不銹鋼2種材料之間的線膨脹系數(shù)存在差異，在升溫和降溫過(guò)程中，變形量不同可能導(dǎo)致有機(jī)玻璃內(nèi)部出現(xiàn)大量氣泡和缺陷，嚴(yán)重影響整個(gè)節(jié)點(diǎn)試件的受力性能．同時(shí)，加工過(guò)程中溫度和光照應(yīng)盡量滿足要求．

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Experimental research on bearing capacity of joint of acrylic and stainless steel

Wang Zongyi1，2Wang Yuanqing2Du Xinxi1Zhou Yan3Heng Yuekun4Zong Liang2
(1School of Civil and Architectural Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China)
(2Key Laboratory of Civil Engineering Safety and Durability of Education of Ministry，Tsinghua University，Beijing 100084，China)
(3China Northwest Building Design Research Institute Co．，Ltd．，Xi'an 710018，China)
(4Institute of High Energy Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)

Abstract:In order to achieve the feasible joint for the Jiangmen neutrino detector，an approach to connect acrylic and stainless steel is proposed．Three joint specimens were manufactured considering the different forms of stainless steel fastener．The ultimate bearing capacity and the mechanical behavior under the long-term load of joint specimens are experimentally investigated．Modeling and analysis of the joint specimens are carried out by using the ABAQUS finite element software．The results show that the creep of acrylic is obvious under the long-term load and the joint failure is brittle at the ultimate load．The ultimate bearing capacities of joint specimens are at least twice as large as the design load．The maximum measured stress on acrylic is 8．467 MPa．In the process of joint specimens，the common polymerization of acrylic and stainless steel should be avoided for preventing initial defects caused by the deformation difference．Meanwhile，the requirements of temperature and illumination should be satisfied．

Key words:neutrino detector; acrylic; stainless steel;joint specimen

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51108007)、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃課題(學(xué)科交叉專(zhuān)項(xiàng))資助項(xiàng)目(20131089288)．

收稿日期:2015-06-01．

作者簡(jiǎn)介:王綜軼(1990—)，男，博士生;王元清(聯(lián)系人)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，wang-yq@mail．tsinghua．edu．cn．

DOI:10．3969/j．issn．1001－0505．2016．01．018

中圖分類(lèi)號(hào):TU399

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1001－0505(2016) 01-0105-05