矩形钢管相贯带节点模型试验研究

矩形钢管相贯带节点模型试验研究

1有限元分析试验验证本研究的背景是国家游泳中心的“水平水立方法”。由于该结构型式特殊,此工程中采用的矩形钢管相贯节点,具有以下特点:弦杆与腹杆等宽、腹杆位于两个平面上、腹杆同时承受轴力与双向弯矩。为了解决此类节点的强度校核问题,我们进行了专项课题研究,研究方法是有限元分析和试验验证。相关的有限元分析工作见文献和。按照课题工作的总体安排,进行模型试验的目的有两个,一是掌握特定节点型式在特定外力条件下的工作性态,包括内力分布、位移反应、极限承载力等;二是与有限元计算结果进行对比,检验其正确性,为理论公式提供试验佐证。此次试验为静力模型试验,本文主要介绍模型试验工作,内容包括:试验对象的选择、试验装置的设计、试验方案的设计、试验过程的描述和试验结果的分析。2材性试验t国家游泳中心的矩形钢管相贯焊接节点型式众多,不能逐一进行试验。经分析,我们确定了以下4个试验对象,具体内容见表1。模型与原型的比例为1∶2。这4个试验对象,包括两个单平面节点(直角T型和K型)和两个双平面节点(直角TT型和KT型)。图1和图2是上述4个试验对象的计算简图。约束条件为:弦杆两端取为固端。这里主要说明一点,在单平面节点的腹杆上和双平面节点中的一个平面上的腹杆,我们施加的是偏心拉力或偏心压力,以检验在有弯矩作用情形下节点的工作性能。另外,各腹杆上施加的荷载(不论是否偏心)在数值上是相等的。试验对象的材料选用Q345B。通过材性试验取材料的屈服强度为375MPa,破坏强度为570MPa。在试验进行之前,对每个试验对象利用ANSYS进行了较详尽的有限元计算,单元类型是板壳单元Shell181。计算中,取材性为理想弹塑性材料,服从Mises屈服准则,不计残余应力及焊缝对节点极限承载力的影响,并在计算中考虑了几何非线性。3h型钢接枝架本次试验具有以下特点:(1)有两个试件需要进行双平面加载;(2)对模型需要施加偏心荷载,特别是K及KT型需要施加偏心拉力。在设计试验装置时,必须考虑这些特点。首先解决双平面加载问题。在利用试验室原有反力墙的基础上,必须再另外设置一个反力架。图3是此反力架的示意图(含K型节点的安装图)。此反力架由两根横梁和两根立柱组成,横梁和立柱的截面相同,均由两根焊接H型钢拼接而成,成型以后的截面高度为1000mm,截面宽度820mm。此反力架与反力墙平行放置,为了保证其平面外稳定性,必须设法将其与反力墙拉结。因此,在反力架的四个角点的加劲肋上,外伸一钢管,此钢管再与反力墙连接(图3中的KT1-KT1剖面)。另外,对于施加平面外荷载的试件(TT型和KT型节点),试件本身也必须与反力墙拉结。图3中的KT1-KT1剖面同时表示了K型节点与反力墙的连接,TT型节点的做法相同。由于空间有限,此次试验的加载工作由体量较小的穿心式千斤顶完成。关于偏心加载问题,可以通过千斤顶偏置来实现。但本次试验中的K和KT型节点模型需要施加偏心拉力。为了使穿心式千斤顶能够实现此拉力,首先在受载的腹杆端设置了连接头(图3),然后通过一根钢拉棒将千斤顶和试件连接起来。因为在一个反力架上要进行多个模型试验,所有试件与反力架都是通过高强螺栓连接的。在试件弦杆两端,尽量模拟与计算模型相似的固端约束条件。4应变测点的布置根据试验任务,本次试验中的工作主要包括试件的应力测量和位移测量。为此,主要布置了应变片、应变花和电子百分表。图4～图5是上述4个试验对象的应变测点布置图。选择的测点位置一般是,整个受力过程中应力反应一直较大的部位且是易于设置测点的部位,比如弦杆上的节点核心区及其临近部位、腹杆根部等。对于双向应力明显的部位,布置应变花,其余位置布置应变片(编号前有“P”)。对于模型的位移反应,比较关心的是节点核心区的弦杆平面内、外侧移,以及腹杆端部在偏心荷载作用下的侧移。为此,在相应位置布置了位移计。5试验过程的极限荷载对于不同的试验模型,采用不同的加载方案。但确定方案的原则是一样的:在荷载未达到模型“进入塑性的荷载”之前,加载步数较少,且荷载间距较大;模型进入塑性以后,将荷载步数调密(级差一般为20kN),直至达到极限荷载。不过,应该看到,由于布置测点时,我们回避了一些应力集中区域,而这些区域又恰恰最早进入塑性。所以,仅靠测点的读数判断试验模型是否进入塑性是不准确的。为此,在试验过程中,需要借助有限元的计算结果。我们定义:计算模型中有结点的Mises应力达到材料的屈服强度时的荷载为模型“进入塑性的荷载”。对于有限元计算模型来说,当同时考虑材料非线性和几何非线性时,计算终止荷载为其极限荷载。对于试验模型,当出现下列情形时,认为荷载达到其极限荷载:①试件塑性发展充分,千斤顶出现卸载;②试件破坏,如出现板件撕裂、焊缝断裂等情形;③变形超过试件尺寸的1/50。6试验结果及分析分别对4个试验模型的结果进行介绍和分析。受篇幅所限,每个节点仅重点介绍试验过程中的应力分布变化情况。试验的误差分析在最后一并进行。6.1试验结果分析K型节点开始进入塑性的荷载为310kN;有限元计算的终止荷载为640kN。图6是该节点在弹性阶段和塑性阶段的Mises应力分布图;图中同时标示了模型的实测结果和计算结果(括号内的数值)。K型节点在试验过程表现出的受力特性为(测点编号对应图4):(1)应力较大的部位为:节点核心区及其临近部位(测点2、3、5、6等)、腹杆的根部(测点20、23、24等)。(2)荷载增加至460～500kN时,测点部位的塑性区域首先出现在两腹杆的根部和节点核心区(测点2、3、19)。(3)荷载进一步加大后,塑性区范围首先在腹杆上扩大;荷载增至640kN(有限元计算终止的荷载)时,试验对象的塑性进一步发展,位移增长很快,但模型未出现破坏迹象。(4)试验对象还有继续承载的能力。塑性区在弦杆上也有所发展,在荷载达到680kN时,测点10等进入塑性。同时,可以发现腹杆出现较明显的侧移。(5)荷载达到800kN时,受拉腹杆受拉侧的根部焊缝出现裂缝;受拉腹杆根部随之撕裂;至900kN时,受拉腹杆与弦杆侧壁的另一侧连接处彻底撕裂,加载终止(图7)。对试验结果作如下简单分析:(1)从整个试验过程来看,试件的破坏过程与计算过程是相吻合的:首先在腹杆根部进入塑性,然后塑性区进入节点核心区的弦杆侧壁,最后破坏。(2)图8是测点2和19在整个试验过程中Mises应力计算值与试验结果的对比,可以发现各对象的两个结果吻合得较好。(3)试验结果表明,对于此试件来说受拉腹杆的受拉侧与弦杆侧壁的交接点是受力最敏感的地方,也是最容易破坏的地方。6.2试验过程与试验结果由于增加了一个承受轴心压力的平面外腹杆,KT型节点的承载力比K型节点低。其开始进入塑性的荷载为250kN;有限元计算的终止荷载为540kN。图9是此节点在弹性阶段和塑性阶段的Mises应力分布图;图中同时标示了模型的实测结果和计算结果(括号内的数值)。此KT型节点在试验过程表现出的受力特性为(测点编号对应图4):(1)Mises应力较大的部位为:节点核心区及其临近部位(测点2、3、4、6等)、偏拉腹杆的受拉侧、偏压腹杆的受压侧(测点P1、P5)等。(2)在荷载达到380kN时,受拉腹杆的根部进入塑性(测点18);荷载增至420kN时,弦杆前侧壁(测点2)进入塑性。(3)继续加载,弦杆上侧壁的塑性范围持续扩大,当荷载加至计算模型的终止荷载540kN时,试验对象变形显著,K型节点的两腹杆相向弯曲,但试件还有继续承载的能力。(4)接着继续分级加载,当荷载达到600kN时,受拉腹杆受拉侧的根部焊缝出现裂缝;再继续加载,可以持续听到焊缝开裂的声音,变形增长较显著的部位有:弦杆支座处出现撕裂裂缝;弦杆后侧壁凹陷;弦杆下侧壁凸出。(5)至800kN时,受拉腹杆与弦杆侧壁的连接处彻底撕裂,加载终止(图10)。对KT型节点的试验情况作如下简单分析:(1)试验过程表明的试件破坏过程为:首先在弦杆支座处出现塑性区,然后是受拉腹杆根部进入塑性,位于节点核心区的弦杆后侧壁成为塑性区;最后破坏时,试件塑性发展充分,变形显著。试件的破坏过程与计算过程是相吻合的。(2)试验结果表明,对于此试件来说,弦杆支座处和受拉腹杆的受拉侧与弦杆侧壁的交接点是受力最大的部位。(3)由于存在T型腹杆带来的轴压力,本试件弦杆发生明显的位移和破坏;其核心区后侧壁的凹陷破坏表明,KT型节点中,弦杆与T型腹杆连接处是一个薄弱环节。6.3模拟结果的力特性与上述两种类型的节点相比,T型节点的受力状态要简单一些——仅有一根承受偏心压力的腹杆。有限元计算结果为:荷载为200kN时,模型开始进入塑性;而荷载达到620kN时,有限元计算终止。此节点在弹性阶段和塑性阶段的Mises应力分布图如图11所示;模型的实测结果和计算结果(括号内的数值)也分别在图中予以标示。T型节点在试验过程表现出的的受力特性为(测点编号对应图5):(1)Mises应力较大的部位为:弦杆的上半部分(与腹杆受压侧相邻的部分)、弦杆支座处,对应的测点有4、8、11、18、22等。(2)荷载达到500kN时,测点4进入塑性。(3)在荷载达到560kN时,弦杆中有更大范围进入塑性,包括测点11、18、22、23等。(4)当荷载加至计算模型的终止荷载620kN时,试验对象变形显著,但还有继续承载的能力。此时弦杆上的测点已大部分进入塑性。(5)接着继续分级加载,试件的变形速度加快,当荷载达到800kN,开始卸载,加载终止。此时,试件除弦杆弯曲外,节点核心区的侧壁屈曲变形,向外凸出(图12)。T型节点的试验情况简单总结如下:(1)T型节点模型中测点涉及部位的塑性区发展过程为:首先在弦杆靠近腹杆受压侧的上半部分出现,然后逐渐扩展到弦杆的绝大部分区域;最后由于塑性发展充分,导致试件彻底丧失承载能力。(2)与弦杆相比,腹杆的塑性发展不充分;试验结果表明,对于此试件来说,弦杆处的节点核心区是受力最不利的位置。。(3)图13是测点2的量测结果与计算结果,在整个试验过程中的对比,可以发现两个结果吻合得很好,说明有限元计算结果是可靠的。6.4各节点的试验结果TT型节点的有限元计算结果为:荷载为240kN时,模型开始进入塑性;而计算终止时的荷载为520kN。图14是此节点在弹性阶段和塑性阶段的Mises应力分布图;图中同时标示了模型的实测结果和计算结果(括号内的数值)。TT型节点的试验模型表现出的受力特性为:(1)弹性阶段Mises应力较大的部位为:节点核心区及其临近部位(测点1～7、16、17等)、弦杆支座处(测点P11、P15、P16等)。(2)荷载达到300kN时,节点核心区处的测点1率先进入塑性;在荷载增至400kN时,核心区及其附近的测点3、4、5、15,以及弦杆支座处的测点进入塑性区。(3)荷载分级增加到480kN时,大部分测点已接近或达到材料屈服强度375MPa。(4)当荷载加至计算模型的终止荷载520kN时,试验对象变形,特别是弦杆的变形十分显著,但试件并未丧失继续承载的能力。此时,试验对象的塑性发展已很充分了,试件变形速度明显加快。(5)继续加载至640kN,荷载已不能维持,加载终止。此时,除弦杆支座焊缝处出现一微小裂缝外,整个试件未发生撕裂现象(图15)。对TT型节点的试验结果进行以下分析和讨论:首先在节点核心区出现,然后核心区临近部位和弦杆支座处也出现塑性区,最后整个弦杆的大部分区域都进入塑性;而两根腹杆的塑性区域很小。这个过程基本与计算过程吻合。最后试件破坏的原因是丧失承载能力,不是明显的撕裂裂缝。对于此试件来说,节点核心区是受力的薄弱环节。7试验结果分析4个试件的试验与计算结果的误差反映在两个方面:一是在加载过程中测点应力、位移结果与计算结果有偏差;二是试件最后的极限荷载与有限元分析所得终止荷载有差别。误差原因主要有以下几方面:(1)在有限元计算中未考虑材料的强化段,而事实上材料的破坏的强度与屈服强度之比是很可观的:依照本次试验材料的材质单二者分别为570MPa和375MPa。(2)实际模型与计算模型有差别,比如弦杆两端不可能实现完全的固结。这里主要说明一点:在计算模型中腹杆的加载端是自由端,而在实际模型中这一点实现起来是比较困难的。本次试验中由于千斤顶的约束作用,受偏压作用腹杆的杆端测移,普遍比计算值小,而且荷载越大相差越多。(3)由于试件的加工误差,导致其安装上的困难。在安装过程中不可避免地产生了初应力。而计算模型没有考虑焊接及其它安装过程中在试验对象中产生的初应力。(4)实际加载过程中,是多个千斤顶共同作用,其同步效果很难达到计算模拟的水平,这一点在塑性阶段对试验结果是有影响的。(5)试验中各测点一般不与有限元计算的单元节点相重合,在此情况下,测点应力的计算值还要利用相邻节点进行插值计算,这对计算结果的准确性有一定影响。8节点破坏特性表2是本次试验4个试验模型的结果汇总。对试验结果进行分析,可以得到以下结论:测点应力与位移和有限元分析结果吻合较好,这说明单元选择及计算方法、迭代过程是合适的;有限元分析完全可以反映节点的工作