國(guó)家高山滑雪中心“十”字鼓節(jié)點(diǎn)研究與分析

王曉科 張海礁 柯旺 官翔宇 孟陽(yáng) 王向遠(yuǎn)

1.概況

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

國(guó)家高山滑雪中心第一標(biāo)段項(xiàng)目位于北京市延慶區(qū)小海坨山南麓區(qū)域。項(xiàng)目所處地形復(fù)雜多變、極為復(fù)雜，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的性能強(qiáng)度提出了很高的要求。不宜采用增加鋼結(jié)構(gòu)數(shù)量的方式來(lái)增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。選用十字“V”型斜柱節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)鋼柱與鋼梁的連接。

1.2 十字“V”型斜柱節(jié)點(diǎn)形式

國(guó)家高山滑雪中心第一標(biāo)段十字“V”型斜柱節(jié)點(diǎn)的主要設(shè)計(jì)思路是以十字型鋼柱為核心承重柱，在鋼梁接口處采用異型鋼板焊接形成異型焊接螺栓節(jié)點(diǎn)，具體形式如圖1所示。使用的鋼材牌號(hào)為Q355NH-D焊接耐候鋼，鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度290MPa，屈服強(qiáng)度355MPa。計(jì)算簡(jiǎn)化模型見(jiàn)圖2。

2.試驗(yàn)概況

2.1 加載裝置

反力架采用大噸位球形反力架；其內(nèi)部?jī)艨罩睆綖?m，最大承載力為3000t，可以在360°空間滿足任一方向試驗(yàn)加載的要求，是國(guó)內(nèi)尺寸和加載噸位最大的球形反力裝置。其中壓力通過(guò)千斤頂直接加載，拉力通過(guò)張拉工裝系統(tǒng)進(jìn)行施加構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和高清網(wǎng)絡(luò)球機(jī)，可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)全過(guò)程的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和監(jiān)測(cè)。

圖1 節(jié)點(diǎn)形式圖

2.2 加載方案及測(cè)點(diǎn)布置

在實(shí)際施加荷載時(shí)，不可能在所有桿件端部均設(shè)置千斤頂，故不能完全模擬內(nèi)力設(shè)計(jì)值中的所有內(nèi)力。因此，本試驗(yàn)將實(shí)際結(jié)構(gòu)中的下層柱（即2號(hào)桿件單元）作為固定端，以構(gòu)件較大的軸力與彎矩為主，忽略較小的剪力和彎矩；桿端彎矩通過(guò)軸力偏心和剪力來(lái)施加。選取節(jié)點(diǎn)最不利組合內(nèi)力計(jì)算得到加載時(shí)的試驗(yàn)荷載（2倍），得到實(shí)際試驗(yàn)加載荷載（2倍）[1]。

本試驗(yàn)中試驗(yàn)荷載為設(shè)計(jì)荷載的2倍。加載時(shí)，各個(gè)加載段同步進(jìn)行加載，試驗(yàn)荷載采用分級(jí)加載，由0至最大加載力均分為20級(jí)，每級(jí)荷載穩(wěn)壓2min后讀取應(yīng)變片、位移計(jì)的讀數(shù)，直至加載破壞或達(dá)到最大加載力，此時(shí)穩(wěn)壓3min后卸載。

圖2 計(jì)算模型簡(jiǎn)化圖

根據(jù)試驗(yàn)前ABAQUS有限元模擬結(jié)果，試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)利用應(yīng)變片測(cè)量各桿件外表面應(yīng)變和節(jié)點(diǎn)中心域應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)變。桿件外表面的應(yīng)變片采用單向應(yīng)變片，于受壓梁（4、5號(hào)梁）距離端板500mm處工字型截面的上下翼緣距邊緣20mm處布置4個(gè)應(yīng)變片；于受拉梁（3、6號(hào)梁）距離端板300mm處工字型截面的上下連接板距邊緣20mm處布置4個(gè)應(yīng)變片；于上下柱距離端板300mm處十字型截面的四肢距肢端10mm處布置4個(gè)應(yīng)變片。共計(jì)24個(gè)應(yīng)變片。

節(jié)點(diǎn)域應(yīng)變片采用應(yīng)變花，上下節(jié)點(diǎn)板分別在各梁接合處內(nèi)伸700mm處設(shè)置應(yīng)變花，共計(jì)8個(gè)。四塊橫向腹板分別在其兩端內(nèi)伸100mm處設(shè)置應(yīng)變花，共計(jì)8個(gè)。

試驗(yàn)過(guò)程中在節(jié)點(diǎn)中心區(qū)域設(shè)置三向位移計(jì)，用于監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)中心位移。在1號(hào)柱，4、5（即兩個(gè)壓力梁）號(hào)梁的桿件端部設(shè)置位移計(jì)，用于監(jiān)測(cè)桿端位移，其中每個(gè)桿端布置兩個(gè)位移計(jì)，方向分別為桿件軸向和垂直軸向，貼合于端板上。3、6號(hào)梁的桿件端部?jī)H設(shè)置豎向位移計(jì)，貼合于端板上。

3.試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

本試驗(yàn)加載方案為1到20級(jí)逐級(jí)加載。當(dāng)荷載從第1級(jí)增加至第20級(jí)，即達(dá)到2.0倍荷載設(shè)計(jì)值時(shí)，試件均未出現(xiàn)任何明顯的變形位移，也未發(fā)出任何明顯響聲。隨著荷載分級(jí)增加，各桿件的應(yīng)變逐步增加，6根加載桿件的應(yīng)變均小于屈服應(yīng)變?chǔ)舮，都處于彈性范圍內(nèi)。接下來(lái)進(jìn)行卸載，在大約5min內(nèi)，荷載緩慢卸至零。卸載后觀察試件發(fā)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)域未發(fā)生明顯變形，各根桿件也均未發(fā)生明顯變形，高強(qiáng)螺栓節(jié)點(diǎn)位置沒(méi)有明顯移動(dòng)，關(guān)鍵焊縫處也沒(méi)有明顯裂紋[2]。

3.2 荷載-應(yīng)變/位移曲線

1～6號(hào)桿件的荷載級(jí)數(shù)-應(yīng)變曲線近似，隨著荷載分級(jí)增加，初期應(yīng)變線性增加，軸向壓力產(chǎn)生的應(yīng)力占主要部分，而軸力偏心使桿件端部2個(gè)應(yīng)變片顯示拉應(yīng)變，另兩個(gè)顯示壓應(yīng)變。測(cè)量截面加載至第20級(jí)荷載（2.0倍荷載設(shè)計(jì)值）時(shí)應(yīng)變曲線均處于彈性范圍內(nèi)。

節(jié)點(diǎn)域應(yīng)力集中部位的應(yīng)變隨著荷載級(jí)數(shù)的變化曲線可以看出，節(jié)點(diǎn)域應(yīng)力集中區(qū)各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變隨荷載級(jí)數(shù)增加均呈線性增加，從應(yīng)變花整體數(shù)據(jù)來(lái)看，節(jié)點(diǎn)中心的應(yīng)力相當(dāng)小，應(yīng)變均處于0～150με 范圍內(nèi)，應(yīng)力集中現(xiàn)象并不特別明顯，節(jié)點(diǎn)域仍處于彈性范圍內(nèi)。

各桿件端部各方向位移，以及節(jié)點(diǎn)域中心位移隨著荷載級(jí)數(shù)的變化曲線。橫軸為位移計(jì)的讀數(shù)，縱軸為荷載級(jí)數(shù)。節(jié)點(diǎn)各桿件的絕對(duì)位移較小，均不足12mm；其中節(jié)點(diǎn)中心的水平向位移1.83mm，豎向位移1.74mm，表明節(jié)點(diǎn)整體變形很小。

4.有限元分析

4.1 有限元模型

本節(jié)采用通用有限元軟件ABAQUS對(duì)試驗(yàn)荷載下的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值分析。有限元模型選用四面體C3D10單元。有限元模型中本構(gòu)關(guān)系采用雙折線模型。鋼材牌號(hào)為Q355NH-D焊接耐候鋼，材料彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3，根據(jù)規(guī)范GB/T4171-2008《耐候結(jié)構(gòu)鋼》可知，取fy=355MPa，fu=700MPa。

4.2 有限元計(jì)算結(jié)果及與試驗(yàn)結(jié)果的比較

試驗(yàn)荷載下有限元模型的計(jì)算結(jié)果顯示。在試驗(yàn)荷載下，節(jié)點(diǎn)大部分區(qū)域Mises應(yīng)力極小，小于5MPa，桿件和節(jié)點(diǎn)域連接處的應(yīng)力集中區(qū)域應(yīng)力稍大，最大達(dá)到了274MPa，下柱和節(jié)點(diǎn)域下翼緣板的交界處在極小的區(qū)域內(nèi)存在較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象。此時(shí)節(jié)點(diǎn)的中心位移約為2.70mm。

試驗(yàn)現(xiàn)象與有限元分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從0級(jí)加載到20級(jí)荷載，再完全卸載的過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)域始終未發(fā)生明顯變形，各根桿件也均未發(fā)生明顯變形，高強(qiáng)螺栓節(jié)點(diǎn)位置沒(méi)有明顯移動(dòng)，，與有限元分析結(jié)果中節(jié)點(diǎn)中心域和各桿件沒(méi)有任何塑性應(yīng)變，完全在彈性范圍內(nèi)，且彈性最大主應(yīng)變極小的結(jié)果吻合。

5.結(jié)論

國(guó)家高山滑雪中心第一標(biāo)段十字“V”型斜柱節(jié)點(diǎn)在荷載達(dá)到第20級(jí)試驗(yàn)荷載時(shí)，節(jié)點(diǎn)無(wú)明顯變形。節(jié)點(diǎn)域和所有桿件均處于彈性狀態(tài)，最大應(yīng)變低于屈服應(yīng)變。卸載完成后，試件沒(méi)有明顯的變形，節(jié)點(diǎn)域完好無(wú)損。整個(gè)加/卸載試驗(yàn)過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)域始終未發(fā)生明顯變形，各根桿件也均未發(fā)生明顯變形，高強(qiáng)螺栓節(jié)點(diǎn)位置沒(méi)有明顯移動(dòng)，關(guān)鍵焊縫處也沒(méi)有明顯裂紋。