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小型承重立柱桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計及其焊接性能分析

2020-09-10 07:22張?zhí)O張瀟然張元彬
電焊機(jī) 2020年10期
關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)設(shè)計

張?zhí)O 張瀟然 張元彬

摘要:設(shè)計了一個高度為180 mm的小型承重立柱桁架結(jié)構(gòu),通過失穩(wěn)理論計算、實(shí)物承壓測試,確定采用由六組立桿和三個圓環(huán)組成的圓柱形桁架結(jié)構(gòu),三個直徑為56 mm的圓環(huán)分別位于頂面、底面和中間位置,且中間圓環(huán)采用比上下圓環(huán)直徑略細(xì)的鋼棒,六組立桿沿圓周均勻排列,每組兩根立桿分別位于圓環(huán)內(nèi)側(cè)和外側(cè),并在同一個軸截面內(nèi)。圓環(huán)的對接接頭采用鎢極氬弧焊焊接,圓環(huán)與立桿采用電阻點(diǎn)焊焊接。試驗(yàn)測試桁架的最大承載力為17 800 N,最大承載力與質(zhì)量之比為82 N/g。

關(guān)鍵詞:立柱桁架;承重;結(jié)構(gòu)設(shè)計;焊接性能

中圖分類號:TG457 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:1001-2303(2020)10-0007-07

DOI:10.7512/j.issn.1001-2303.2020.10.02

0 前言

桁架結(jié)構(gòu)是一種由桿件彼此連接形成的結(jié)構(gòu), 是只受節(jié)點(diǎn)荷載作用的理想體系[1]。桁架桿件只承受軸向拉力或壓力,能充分利用材料的強(qiáng)度。在保證剛度的前提下,一定程度上能減輕自重,降低成本[2]。桁架結(jié)構(gòu)在建造木橋和屋架上最先見諸實(shí)用,古羅馬人用桁架修建橫跨多瑙河的特雷江橋的上部結(jié)構(gòu);文藝復(fù)興時期,意大利建筑師也開始采用木桁架建橋;英國最早的金屬桁架在 1845 年建成[3]。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,各種尺寸、形態(tài)各異的空間鋼結(jié)構(gòu)在體育場館、會展中心、影劇院、大型商場、機(jī)場車站等建筑中得到了廣泛的應(yīng)用[4]。在鋼桁架設(shè)計和應(yīng)用選型時必須綜合考慮使用要求、使用特點(diǎn)、跨度和載荷大小以及材料供應(yīng)情況、施工條件等因素,進(jìn)行全面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。

鋼桁架的連接方式有焊接、普通螺栓連接、高強(qiáng)螺栓連接或鉚接,焊接應(yīng)用最為廣泛,其優(yōu)點(diǎn)是:任何形狀的結(jié)構(gòu)都可用;不削弱構(gòu)件截面,工藝簡單,連接省工;連接的密閉性好、剛度大;易于采用自動化作業(yè),提高焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量等[5-6]。在鋼結(jié)構(gòu)的施工過程中,焊接工程量大,質(zhì)量要求高,焊接難度較大[7],焊縫質(zhì)量直接影響整個結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度,而焊縫設(shè)計和施工中存在著許多問題,如:如何保證結(jié)構(gòu)的焊縫強(qiáng)度,如何避免焊縫相交搭接問題等[8]。焊接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造應(yīng)避免采用約束度大和易產(chǎn)生層狀撕裂的連接形式[9]。為滿足當(dāng)前的需求,提升鋼結(jié)構(gòu)自身的質(zhì)量,應(yīng)積極對當(dāng)前的技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新,從整體上提升鋼結(jié)構(gòu)的焊接水平[10-11]。

基于某單位一小型承重立柱桁架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行基礎(chǔ)單元設(shè)計與優(yōu)化,并制定其制造工藝。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計及力學(xué)分析

1.1 設(shè)計要求

結(jié)構(gòu)總質(zhì)量不超過300 g,高度180 mm,上承力面面積不小于 400 mm2,且具有較高的承重與質(zhì)量比。

1.2 設(shè)計方案

綜合承載能力、制造工藝及外觀特征等方面因素,圓柱形結(jié)構(gòu)具有外形美觀、制造工藝簡單、承載力高的優(yōu)點(diǎn),所以采用圓柱形桁架結(jié)構(gòu)。承重的豎直桿件采用價格低廉的直徑 4.0 mm 的拉拔低碳鋼棒,考慮到單根鋼棒直徑小、慣性矩小,受壓時易彎曲失穩(wěn),所以采用兩根鋼棒為一組組成矩形,增大慣性矩,提高抗彎能力。設(shè)計了五種方案:

(1)方案1。采用由三組立桿和兩個圓環(huán)組成的圓柱形結(jié)構(gòu)如圖1所示。立桿和圓環(huán)均采用直徑4 mm的鋼棒,每組立桿由單根鋼棒彎折形成,三組立桿沿圓周均勻分布,在上頂面延伸至中心位置匯集,兩個直徑為50 mm的圓環(huán)穿過每組立桿的間隙,位于圓柱體靠近底面和中間位置。

(2)方案 2。采用由五組立柱和位于上下底面的兩個等徑圓環(huán)(直徑50 mm)組成的圓柱形結(jié)構(gòu)如圖2所示。立桿和圓環(huán)均為直徑4 mm的鋼棒,圓環(huán)置于每組的兩根立桿之間,使得每組的兩根立桿通過與圓環(huán)連接形成一個位于圓柱體軸截面內(nèi)的矩形面,從而提高抗彎能力。

(3)方案3。如圖3所示,在方案2的基礎(chǔ)上,圓柱體中間位置增加一個相同的圓環(huán)。

(4)方案4。如圖4所示,結(jié)構(gòu)與方案2類似,但采用六組均勻分布的立桿,且圓環(huán)直徑增加為56 mm,以滿足制作過程中操作空間要求。

(5)方案5。如圖5所示,在方案4的基礎(chǔ)上,圓柱體中間位置增加一個圓環(huán),但中間圓環(huán)采用直徑3.2 mm的鋼棒,使得組裝制作后每組的兩根立桿在中間位置產(chǎn)生向矩形內(nèi)部的微小變形,桿件承重受壓時產(chǎn)生向圓環(huán)棒的彎曲,與中間圓環(huán)的連接點(diǎn)受壓力,利于提高結(jié)構(gòu)承載能力。

1.3 受力分析

1.3.1 桿件穩(wěn)定性及承載力計算

軸壓桿件的整體失穩(wěn)是由于在荷載作用下,桿件整體剛度不夠(長細(xì)比過大)而喪失穩(wěn)定。因此,軸壓桿件整體穩(wěn)定計算的要點(diǎn)是:根據(jù)桿件的支座及支撐情況,確定其計算長度,通過選擇合適的構(gòu)件斷面及尺寸,控制桿件的長細(xì)比,確定壓桿的整體穩(wěn)定系數(shù)以保證構(gòu)件的整體穩(wěn)定[12]。以下計算假設(shè)桁架結(jié)構(gòu)的每根立桿均勻受力,對其中的一根立桿進(jìn)行分析。

(1)計算桿件柔度,判斷桿件的類型,計算過程如下:

I=(1)

i=(2)

λ=μL/i(3)

λp=(4)

λs=(5)

式中 I為慣性矩(單位:mm4);d為桿件直徑(單位:mm);i為慣性半徑(單位:mm);λ為柔度(長細(xì)比);μ為長度系數(shù);L為桿件長度(單位:mm);λp為比例極限;E為彈性模量(單位:GPa);σp為極限應(yīng)力(單位:MPa);σs為屈服極限(單位:MPa)。

對于兩端固定的壓桿,μ=0.5,L=180 mm,d=4 mm;本構(gòu)件使用的鋼材為H08A,其彈性模量E=200 GPa,σp=200 MPa;代入數(shù)據(jù)計算得出:λs<λ<λp,因此支撐桿為中柔度桿。

(2)判斷桿件類型為中柔度桿后,根據(jù)其對應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式——直線公式計算桿件能承受的最大載荷[12]。計算過程如下。

對于塑性桿件:σp<σcr<σs。

當(dāng) λs≤λ≤λp 時:

σcr=a-bλ (6)

σ=σcr/nst (7)

F=2σπr2(8)

G=nF(9)

式中 a,b為材料常數(shù);σcr為臨界應(yīng)力(單位:MPa);nst為穩(wěn)定安全系數(shù);σ為真實(shí)應(yīng)力(單位:MPa);F為每組桿的受力(單位:kN);r為每根桿的半徑(單位:mm);n為立桿組數(shù);G為桁架受到的臨界力(單位:kN)。

對于H08A鋼材,a=304 MPa,b=1.12 MPa;低碳鋼的穩(wěn)定安全系數(shù)取值范圍為1.8~3.0,取nst=2.4。

根據(jù)式(5)~式(8)分別計算當(dāng)n=3,n=5,n=6 時桁架受到的臨界力,即G值,設(shè)A為桁架上表面面積,將計算結(jié)果列于表1。

由表1可知,立桿數(shù)量越多,桁架能承受的臨界應(yīng)力越高。在質(zhì)量滿足低于300 g的條件下,希望結(jié)構(gòu)得到更高的承載力,所以應(yīng)選擇六組立桿組成的桁架結(jié)構(gòu)。

1.3.2 失效形式預(yù)測

以六組立桿為例,不考慮桿件的彎曲變形,假設(shè)作用于桁架上表面的力為G,則每組桿件承受的力相同,均為 G/6,下面對一組桿件進(jìn)行受力分析,一組桿件的受力簡圖如圖6所示。

(1)桿件理論上只承受軸向壓力,如圖6a所示,失效形式為超過臨界應(yīng)力后的桿件失穩(wěn)。

(2)因制造誤差或焊接變形導(dǎo)致桿件頂端壓力偏離軸線時,將引起桿件彎曲,中間環(huán)與立桿焊點(diǎn)開裂,結(jié)構(gòu)失效,如圖6b所示。

(3)采用方案 5 時,中間增強(qiáng)環(huán)選用直徑略小于上下圓環(huán)的鋼棒,制作過程每組兩根桿件產(chǎn)生向內(nèi)的微小預(yù)變形,桁架承重時中間圓環(huán)焊點(diǎn)受壓應(yīng)力,抵抗桿件彎曲,提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,如圖6c所示。

1.3.3 仿真模擬分析

(1)首先用 UG 三維制圖軟件繪制出方案5桁架結(jié)構(gòu)的三維造型圖。

(2)利用 ANSYS 模擬軟件對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬。在本模擬中,底部圓環(huán)限制位移,上圓環(huán)和立桿端面受到下壓載荷。計算采用的材料彈性模量為200 GPa,屈服強(qiáng)度200 MPa,泊松比為0.33,密度 7 800 kg/m3。

(3)ANSYS 模擬等效應(yīng)力圖如圖7所示,顏色的不同表示各桿件等效應(yīng)力的不同,顏色越深,等效應(yīng)力越大。根據(jù)模擬結(jié)果,峰值應(yīng)力出現(xiàn)在圓環(huán)和立桿的連接位置。當(dāng)對結(jié)構(gòu)施加14 kN載荷時,由圖8可以看出,峰值應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度以及臨界彎曲應(yīng)力。當(dāng)對桁架施加18 kN載荷時,由圖9可以看出,峰值應(yīng)力達(dá)到材料臨界彎曲應(yīng)力,預(yù)測將發(fā)生彈塑性變形失效。

2 連接方案與制造工藝

2.1 連接方案

圓環(huán)利用鋼棒彎制而成,由于鋼棒直徑小,其對接接頭采用鎢極氬弧焊,熱量集中,變形小。立桿與圓環(huán)的搭接采用電阻點(diǎn)焊,點(diǎn)焊焊接速度快, 熱影響區(qū)小,變形小。

2.2 制造工藝

2.2.1 工藝步驟

(1)設(shè)計如圖10所示的工裝夾具。該夾具是為了對結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)的六根立桿進(jìn)行定位,使內(nèi)側(cè)立桿保持豎直且沿圓環(huán)均勻分布。

(2)采用兩根φ4.0 mm和一根φ3.2 mm的鋼棒彎制三個相同直徑(d=56 mm)的圓環(huán)。截取12根190 mm長的φ4.0 mm鋼棒并用砂紙進(jìn)行打磨去銹。

(3)采用鎢極氬弧焊焊接圓環(huán)對接接頭。焊接電源為WS-315 直流氬弧焊機(jī),直流正接,鎢極直徑2 mm,焊接電流40~50 A,氣體流量5~7 L/min。

(4)如圖11所示,利用圖10所示工裝夾具定位內(nèi)側(cè)立桿,在桿上套入三個圓環(huán)并用橡皮筋箍住立桿,在立桿上劃線定位圓環(huán)位置,上下圓環(huán)距離立桿端部0.5 mm。

(5)采用電阻點(diǎn)焊焊接上、下圓環(huán)與六根內(nèi)側(cè)立桿。每個圓環(huán)上的六個焊點(diǎn)對稱交錯施焊。

(6)裝配外側(cè)立桿。采用電阻點(diǎn)焊焊接上、下圓環(huán)與六根外側(cè)立桿。每個圓環(huán)上的六個焊點(diǎn)對稱交錯施焊。

(7)焊接中間圓環(huán)與立桿,每組的兩根立桿與圓環(huán)的兩個焊點(diǎn)一次焊接完成,六組焊點(diǎn)對稱交錯施焊。

(8)對焊件進(jìn)行打磨清理、變形校正,桿件兩端余料磨平,保證桁架結(jié)構(gòu)上下圓環(huán)面為平面, 整體高度180 mm。

2.2.2 電阻點(diǎn)焊參數(shù)

焊接參數(shù)選擇對于結(jié)構(gòu)連接的質(zhì)量至關(guān)重要。文中分析了電阻點(diǎn)焊在不同焊接參數(shù)下的焊點(diǎn)情況,通過觀察焊點(diǎn)成形及簡單的彎扭對比試驗(yàn),確定了合適的點(diǎn)焊工藝參數(shù)。

采用DN1-25腳踏式點(diǎn)焊機(jī),焊接電流分為7檔。硬規(guī)范(大電流短時間)點(diǎn)焊時,焊接速度快、熱影響區(qū)小,所以采用大電流進(jìn)行圓環(huán)與立桿的點(diǎn)焊。桁架結(jié)構(gòu)上下圓環(huán)與內(nèi)外立桿的兩個焊點(diǎn)先后兩次焊接,采用七檔焊接電流,焊接時間為5 ms時形成可靠的焊點(diǎn),焊點(diǎn)中心截面如圖12所示。中間圓環(huán)與內(nèi)外立桿的兩個焊點(diǎn)一次性焊接,采用七檔焊接電流,焊接時間為14 ms時形成可靠焊點(diǎn),如圖13所示,焊接電流范圍為30~40 A。

2.2.3 桁架實(shí)物展示

方案1~5的桁架實(shí)物如圖14所示。

3 實(shí)驗(yàn)測試

3.1 承壓測試結(jié)果與分析

3.1.1 承壓測試結(jié)果

利用電子萬能試驗(yàn)機(jī)對桁架結(jié)構(gòu)實(shí)物進(jìn)行抗壓測試,得到相應(yīng)的載荷-時間曲線(圖15為方案3樣品的載荷-時間曲線),可以看出,樣品結(jié)構(gòu)在均勻載荷作用下的應(yīng)力變化情況以及可承受的最大載荷。5種方案實(shí)物的測試結(jié)果如表2所示。

3.1.2 承壓測試結(jié)果分析

(1)從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,立桿數(shù)量越多,結(jié)構(gòu)承壓越高。但最大承載力與質(zhì)量之比不一定隨立桿數(shù)量的增加而增大。

(2)對比方案2與方案3可知,在立柱桁架結(jié)構(gòu)中間位置加入與上下圓環(huán)相同的圓環(huán),沒有提高承載能力。其原因?yàn)椋褐虚g圓環(huán)與立桿的焊接惡化了焊點(diǎn)處立桿的組織性能,并造成桿件的變形,使得桿件在受壓的情況下更容易失穩(wěn),并容易在焊點(diǎn)處開裂。

(3)對比方案4與方案5,在桁架結(jié)構(gòu)中間位置加入比上下圓環(huán)鋼棒直徑稍細(xì)的圓環(huán)有效地提高了最大承載能力。分析其原因如下:中間增強(qiáng)環(huán)選用直徑略小于上下圓環(huán)的鋼棒,可以使每組兩根桿件產(chǎn)生向內(nèi)的微小預(yù)變形,受力時中間圓環(huán)焊點(diǎn)受壓應(yīng)力,焊點(diǎn)不易破壞,且抵抗桿件彎曲,提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。方案5實(shí)物實(shí)測承載力(17 800 N)略低于數(shù)值模擬計算值(18 000 N)和失穩(wěn)理論計算值(19 940 N),據(jù)分析,與制作精度不足、焊接對桿件組織性能的破壞和焊接引起的應(yīng)力變形有關(guān)。

3.2 結(jié)構(gòu)失效形式與分析

(1)焊點(diǎn)位置容易失效。焊接點(diǎn)屬于桿件連接部位,大部分焊點(diǎn)的作用是實(shí)現(xiàn)圓環(huán)以及圓環(huán)與立桿之間的連接,理論上不承受力的作用。但是制造誤差、焊接變形等原因會使得焊點(diǎn)受到一定的剪切力或彎矩,從而導(dǎo)致焊點(diǎn)位置容易失效。

(2)由圖 16 可知,不增加中間環(huán),桿件穩(wěn)定性差,最易在桿件的中間部位失穩(wěn),向外彎曲失效。這是由于該桁架結(jié)構(gòu)屬于中柔度桿件,其柔性僅次于細(xì)長桿。根據(jù)靜力學(xué)知識,桿件大約將在其1/2位置發(fā)生彎曲失效。

(3)由圖17可知,在桿件中間位置增加加強(qiáng)環(huán)后,結(jié)構(gòu)抵抗彎曲變形的能力增強(qiáng),承載力提高。

在結(jié)構(gòu)中間位置加入加強(qiáng)環(huán)之后,理論上產(chǎn)生彎曲失效的位置應(yīng)在結(jié)構(gòu)新生成的1/2處,即整個桿件的1/4位置。但由于焊接對立桿原始組織性能的破壞及焊接引起的變形,實(shí)際上加強(qiáng)環(huán)的焊點(diǎn)位置將成為新的最易失效的部位。

4 結(jié)論

小型承重立柱桁架的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計為圓柱體,下底面及高度中間位置為三個直徑56 mm的圓環(huán),上下底面的圓環(huán)采用φ4.0 mm的圓棒彎制而成,中間位置的圓環(huán)采用φ3.2 mm的圓棒,每個圓環(huán)的對接接頭采用鎢極氬弧焊焊接;六組φ4.0 mm圓棒立桿沿圓周均勻分布,每組兩根立柱立桿分別位于圓環(huán)內(nèi)外,與圓環(huán)采用電阻點(diǎn)焊連接后形成一個位于圓柱軸截面內(nèi)的組成矩形,增大慣性矩,提高徑向抗彎能力。實(shí)驗(yàn)測得的桁架結(jié)構(gòu)的最大承載力為17 800 N,最大載荷與質(zhì)量之比為82 N/g。

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