□文/高樹才 吳伸杰 馬 旭 榮 彬

鑄鋼節(jié)點(diǎn)具有受力明確、傳力直接、承載力大的特點(diǎn)，通常節(jié)點(diǎn)體型大、受力復(fù)雜，多用于結(jié)構(gòu)體系的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其可靠性直接影響結(jié)構(gòu)的安全，而目前的理論分析和設(shè)計(jì)方法尚不成熟，僅依靠數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)顯得不夠安全，因此國內(nèi)外的重點(diǎn)工程都對(duì)不同形式的鑄鋼節(jié)點(diǎn)的受力性能開展研究。丁陽等[1]為考察天津奧林匹克中心體育場大跨度鋼管桁架結(jié)構(gòu)鑄鋼節(jié)點(diǎn)的受力性能，評(píng)價(jià)其安全性，對(duì)鑄鋼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了足尺試驗(yàn)驗(yàn)和有限元分析，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果和有限元計(jì)算結(jié)果，分析了節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布規(guī)律，表明天津奧林匹克中心體育場鑄鋼節(jié)點(diǎn)具有較高的承載性能和足夠的安全性。徐世杰等[2]通過試驗(yàn)研究了重慶江北機(jī)場T3A航站典型鑄鋼節(jié)點(diǎn)的荷載-位移曲線，應(yīng)力和節(jié)點(diǎn)破壞時(shí)的變形特征，使用有限元軟件進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)此類異形鑄鋼節(jié)點(diǎn)的使用和施工過程提出了優(yōu)化建議。杜新喜等[3]對(duì)新疆國際會(huì)展中心屋面張弦桁架支座鑄鋼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了1/2縮尺加載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明在最不利設(shè)計(jì)工況組合下，節(jié)點(diǎn)滿足設(shè)計(jì)的承載力要求；對(duì)節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行了彈塑性有限元分析，有限元分析和試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，在有限元數(shù)值模型可靠的基礎(chǔ)上，對(duì)鑄鋼節(jié)點(diǎn)的承載性能指標(biāo)和安全儲(chǔ)備進(jìn)行了綜合評(píng)估。上述工程實(shí)例表明了鑄鋼節(jié)點(diǎn)具有良好的適用性，由于國內(nèi)還沒有一套成熟的鑄鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法，目前工程中的鑄鋼節(jié)點(diǎn)多采用有限元理論分析與試驗(yàn)測試結(jié)果相結(jié)合的方式來保證節(jié)點(diǎn)的承載安全性。

1 工程概況

中部國際設(shè)計(jì)中心建筑方案是著名國際建筑設(shè)計(jì)大師扎哈·哈迪德的遺作，裙房底盤平面形狀呈不規(guī)則五角星形，形似花瓣。上部三角布置3棟塔樓，整體協(xié)調(diào)，渾然一體，見圖1。

圖1 中部國際設(shè)計(jì)中心

塔樓的形態(tài)以“花”為設(shè)計(jì)意向，外輪廓底部呈現(xiàn)弧線形的花萼形態(tài)，塔身賦以白色線條表示花的經(jīng)絡(luò)，輕盈曼妙。塔樓平面呈紡錘形的六邊形。裙房外墻為直線曲線結(jié)合的橫向玻璃帶窗和鋁板幕墻組合，形成流暢的建筑外立面。塔樓的塔基從下到上逐漸擴(kuò)大到裙房屋面之上后慢慢內(nèi)收，塔樓以玻璃幕墻和豎向裝飾線條形成花瓣的肌理。

結(jié)構(gòu)的難點(diǎn)在于塔樓3層以下外排鋼管柱向核心筒逐步回收至內(nèi)排柱，在一層交匯，部分節(jié)點(diǎn)由三斜管交匯，交匯位置受力復(fù)雜。若采用相貫焊接將導(dǎo)致焊接應(yīng)力過大，很難判斷節(jié)點(diǎn)是否達(dá)到承載要求，故采用了鑄鋼節(jié)點(diǎn)。

2 節(jié)點(diǎn)概況

工程使用的鑄鋼節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)形式見圖2。

圖2 節(jié)點(diǎn)模型

主管豎直連接下層柱子，主管的前部與三根斜管相貫，后部支撐3根水平梁。節(jié)點(diǎn)為1/2縮尺模型，主管外徑為450 mm、壁厚45 mm，各支管外徑400 mm、壁厚40mm，主管后三個(gè)水平梁截面尺寸340 mm×165 mm×35 mm，各管交匯區(qū)域上部倒角尺寸為30 mm，下部的倒角尺寸為200mm。

3 鑄鋼節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)

3.1 加載工況

鑄鋼節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)在天津大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室進(jìn)行，加載采用設(shè)計(jì)組合工況，對(duì)于各管而言，設(shè)計(jì)荷載的軸力起控制作用，因此選擇主管，支管B、C的最大軸力工況進(jìn)行空間加載試驗(yàn)。見表1。

表1 試驗(yàn)荷載

表1中彎矩以梁的下部受拉為正，反之為負(fù)；剪力以使研究桿段轉(zhuǎn)向?yàn)轫槙r(shí)針時(shí)為正，反之為負(fù)；軸力以受拉為正，受壓為負(fù)。試驗(yàn)中加載的荷載為縮尺模型按照應(yīng)力等效原則對(duì)應(yīng)的換算值。

3.2 材性試驗(yàn)

鑄鋼材料選用G20Mn5QT，采用和節(jié)點(diǎn)同爐澆筑的方法進(jìn)行試棒加工，見圖3。

圖3 材性試驗(yàn)試棒尺寸

3.3 試驗(yàn)裝置

空間試驗(yàn)載裝置見圖4。

圖4 試驗(yàn)裝置

主管的豎向軸力由320 t單向千斤頂施加，加載分級(jí)通過油壓表控制；水平剪力通過50 t單向千斤頂來施加，加載分級(jí)通過力傳感器控制；各支管的軸力由3個(gè)200 t單向的千斤頂施加，通過設(shè)計(jì)的支座傳力至反力墻，加載分級(jí)通過油壓表控制。

主管豎向力通過上端橫梁傳遞給兩側(cè)的加載反力架。加載支管的斜向千斤頂連接加載支座并支承于反力墻上。主管底部焊接底板并在底板上設(shè)置支座，以焊接連接水平梁，整個(gè)節(jié)點(diǎn)采用錨栓固結(jié)在地面。

3.4 加載制度

試驗(yàn)加載分為預(yù)加載和正式加載，預(yù)加載階段施加設(shè)計(jì)荷載的30%，分三級(jí)加載，然后卸載，為正式加載做準(zhǔn)備。預(yù)加載結(jié)束后，進(jìn)行正式加載。為保證各管加載的同步性，荷載分10級(jí)加載，加載到每級(jí)荷載后持荷，采集應(yīng)變數(shù)據(jù)后進(jìn)行下一級(jí)加載。

3.5 測點(diǎn)布置

鑄鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)變測點(diǎn)布置見圖5。在有限元分析的基礎(chǔ)上，將測點(diǎn)布置在節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中的節(jié)點(diǎn)倒角部位。1號(hào)節(jié)點(diǎn)試件共布置應(yīng)變花22個(gè)，應(yīng)變片22個(gè)；2號(hào)節(jié)點(diǎn)試件增加柱底水平梁一側(cè)5個(gè)應(yīng)變花。

圖5 試驗(yàn)測點(diǎn)布置

3.6 試驗(yàn)結(jié)果分析

為方便表述，使用應(yīng)變花中編號(hào)最小的應(yīng)變片，來指代這個(gè)應(yīng)變花（例如應(yīng)變片花1號(hào)為應(yīng)變片1,2,3組成的應(yīng)變花）。試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)中，將應(yīng)變花和應(yīng)變片的測量結(jié)果換算為測量位置的等效應(yīng)力。見圖6和圖7。

圖6 應(yīng)變花等效應(yīng)力

圖7 應(yīng)變片等效應(yīng)力

1號(hào)節(jié)點(diǎn)的最大等效應(yīng)力為98.74 N/mm2，出現(xiàn)在61號(hào)應(yīng)變花，位于水平梁F上側(cè)。A支管倒角處的應(yīng)變花為1～13號(hào)，最大等效應(yīng)力為89.93 N/mm2。B支管倒角處的應(yīng)變花為16～28號(hào)，最大等效應(yīng)力為73.44 N/mm2，C支管倒角處的應(yīng)變花為31～43號(hào)，最大等效應(yīng)力為62.01 N/mm2。應(yīng)變花46、49、52號(hào)為測量主管柱底部的應(yīng)力水平，較支管倒角部分，此處的等效應(yīng)力相對(duì)較小。應(yīng)變花55、58、61號(hào)測量的是水平梁上側(cè)等效應(yīng)力大小，最大等效應(yīng)力為98.74 N/mm2。水平梁上部的應(yīng)變花64號(hào)的應(yīng)力較小。

2號(hào)節(jié)點(diǎn)的最大等效應(yīng)力為233.47 N/mm2，出現(xiàn)在101號(hào)應(yīng)變花，位于水平梁F的下部靠近柱底。A支管倒角處的應(yīng)變花為1～13號(hào)，最大等效應(yīng)力為142.60 N/mm2。B支管倒角處的應(yīng)變花為16～28號(hào)，最大等效應(yīng)力為98.18 N/mm2，C支管倒角處的應(yīng)變花為31～43號(hào)，最大的應(yīng)力為 32.06 N/mm2。應(yīng)變花 46、49、52號(hào)為測量主管柱底部的應(yīng)力水平，較支管倒角部分，此處的等效應(yīng)力相對(duì)較小。應(yīng)變花55、58、61號(hào)測量的是水平梁上側(cè)的等效應(yīng)力，最大值為65.06 N/mm2。水平梁上部的應(yīng)變花64號(hào)的應(yīng)力較小。應(yīng)變花89、92、95、98、101號(hào)測量的是柱底水平梁一側(cè)的等效應(yīng)力，最大值為233.47 N/mm2。

應(yīng)變片主要測量的為主管，支管管壁的應(yīng)力大小，除2號(hào)試件支管A管壁82、85號(hào)測點(diǎn)等效應(yīng)力較大，其他測點(diǎn)應(yīng)力較小。在試驗(yàn)荷載下，節(jié)點(diǎn)在各支管底部倒角處和節(jié)點(diǎn)底部的應(yīng)力水平相對(duì)較高，起到控制作用，管壁的應(yīng)力相對(duì)較小。

4 有限元分析

4.1 有限元模型

有限元分析中，節(jié)點(diǎn)模型采用solid187單元模擬，solid187單元是10節(jié)點(diǎn)四面體單元，具有塑性、大變形和大應(yīng)變特點(diǎn)，適用于模型的復(fù)雜網(wǎng)格劃分。鑄鋼的材料屈服強(qiáng)度417.63 N/mm2，抗拉強(qiáng)度554.29 N/mm2，彈性模量為2.13×105 N/mm2，泊松比0.3。有限元分析中鑄鋼材料采用理想三折線隨動(dòng)強(qiáng)化應(yīng)力應(yīng)變模型，見圖8。

有限元分析中，采用Von Mises屈服準(zhǔn)則，顯示對(duì)比結(jié)果的Von Mises應(yīng)力。為保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，網(wǎng)格尺寸選擇為節(jié)點(diǎn)管壁厚的1/2[5]，節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)格劃分見圖9。為準(zhǔn)確模擬試驗(yàn)中節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)，約束了節(jié)點(diǎn)底部和水平梁端的全部位移和轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖8 有限元分析中鑄鋼材料的本構(gòu)模型

圖9 鑄鋼節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)格劃分

4.2 有限元結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

有限元分析的結(jié)果見圖10，試驗(yàn)荷載下有限元分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)應(yīng)測點(diǎn)的應(yīng)力大小對(duì)比見圖6和圖7，有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果整體較接近，證明有限元分析的可行性。

圖10 有限元分析結(jié)果

對(duì)于有限元的結(jié)果，最大的等效應(yīng)力出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)底部約束處，其次應(yīng)力較大的部位仍是各支管下部的倒角部分，其中B支管下部倒角部位的等效應(yīng)力更大。

5 結(jié)論

鑄鋼節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)中，全部試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)力均不超過屈服強(qiáng)度。對(duì)于1號(hào)節(jié)點(diǎn)試件，應(yīng)力量測結(jié)果與有限元結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了有限元分析的可行性。對(duì)于2號(hào)節(jié)點(diǎn)試件，A支管和C支管應(yīng)力出現(xiàn)明顯的不對(duì)稱性，節(jié)點(diǎn)受力不均勻，與節(jié)點(diǎn)實(shí)際受力情況不符，表明節(jié)點(diǎn)制作和安裝誤差對(duì)節(jié)點(diǎn)受力有較大影響，施工中應(yīng)注意節(jié)點(diǎn)制作和安裝精度。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在最大設(shè)計(jì)荷載工況下，節(jié)點(diǎn)最大的等效應(yīng)力為233.47 N/mm2，有限元結(jié)果表明，最大的等效應(yīng)力為51.24 N/mm2，均小于材料屈服強(qiáng)度417.63 N/mm2。試驗(yàn)和有限元分析表明,節(jié)點(diǎn)的主管、支管底部和水平梁下部倒角處應(yīng)力水平較高，施工時(shí)應(yīng)注意這些位置處的應(yīng)力監(jiān)測。