端部非鐓粗高強度鋼拉桿節點設計及試驗研究

黃山，李超群，王煒萍，張杰，余佳遠

（1.中天建設集團有限公司，浙江 杭州 310008；2.浙江中天恒筑鋼構有限公司，浙江 杭州 310008）

0 引言

核心筒-鋼桁架-懸掛結構是以內部核心筒為豎向承重結構，頂部鋼桁架作為水平轉換結構，樓面結構通過高強度鋼拉桿懸掛于頂部鋼桁架結構上而形成的一種新型結構體系[1]。該結構體系采用的高強度鋼拉桿抗拉強度大，構件截面面積小，有效降低整體結構自重的同時易于滿足建筑功能要求，并增加了建筑實際使用面積，其綜合效益高，所以近年來核心筒-鋼桁架-懸掛結構越來越多地被使用于實際建筑結構當中。

但設計階段，通常要求鋼拉桿桿體與連接節點等強，故其端部往往要求采用局部鍛造鐓粗后進行螺紋加工。其中，梁秀春提出了一種鐓粗大高徑比鍛件方法對棒料進行局部頭部鐓粗[2]；陳衛銘采用了多道次鐓粗方式對棒料進行了局部成形[3]；陳孝學等使用了棒料連續鐓粗的成形工藝[4]，而鐓粗過程中的鍛造比、鐓粗長徑比、始終鍛溫度、加熱時間、鐓粗次數等[5]工藝參數的控制難度大，加工步驟多，最終造成鋼拉桿制作成本高企且端部成型質量不易保證。本文通過對高強度鋼拉桿端部節點理論計算分析并在此基礎上加以試驗驗證，最終得到端部非鐓粗鋼拉桿完全能滿足設計要求，降低了工程造價，節約了制作工期。

1 工程概況

某工程由A、B、C 三幢高層建筑構成且均采用核心筒-鋼桁架-懸掛結構受力體系，具體傳力路徑較為明確：樓層鋼梁—鋼拉桿—頂部鋼桁架—核心筒—基礎。該三幢高層建筑主體結構頂標高均為57.00m，地下3 層，地上13 層，其中，B3～L4層為框架混凝土結構，部分梁柱為組合結構，內置勁性梁和勁性柱；L5～L13 層為鋼結構，其豎向受力構件為高強度鋼拉桿，標準層層高4.2m；頂部桁架層為雙向設置的轉換桁架，其中部穿過混凝土核心筒，外圈懸挑端與高強度鋼拉桿相連。具體結構效果如圖1 所示。

圖1 效果圖

本工程鋼結構材質均為Q355B（鋼拉桿除外），其中核心筒勁性梁以及勁性柱的規格為：H 200×200×20×20～H 400×200×30×30；外框鋼梁規格為：H 400×150×8×10～H 700×300×14×25、口 300×450×20×20～口 400×450×30×30。外框豎向受力構件采用的高強度鋼拉桿具體型號為ZL 型[6]，直徑為120mm，其中L12層～L13層的鋼拉桿材質等級為835級，其余位置處均采用650 級，套筒材質等級與鋼拉桿材質相適應。外框鋼梁通過外環板節點支撐于支撐套筒上，支撐套筒與調節套筒通過螺紋連接，調節套筒與高強度鋼拉桿通過螺紋連接，具體組裝圖如圖2 所示。

圖2 鋼拉桿組裝圖

2 端部非等強鋼拉桿螺紋設計

根據設計要求，835 級鋼拉桿的設計承載力不得低于8 500kN，而由鋼拉桿組裝圖可知，鋼拉桿各部件通過螺紋進行連接，故其承載力取決于桿體本身強度以及螺紋連接強度[7]。由于本工程高強度鋼拉桿采用端部非鐓粗工藝，桿體本身螺紋處的有效直徑較桿體中部有一定削弱，最終鋼拉桿承載力取決于端部有效截面的應力大小、桿體螺紋以及調節套筒的連接強度。

2.1 鋼拉桿有效截面處的應力

鋼拉桿直徑為120mm，對應螺紋規格為M118X6 普通螺紋，螺距6mm。螺紋根部的有效工作直徑為：

鋼拉桿螺紋處有效截面面積為：

鋼拉桿有效截面處的應力大小：

其中P為螺紋螺距，d為螺紋外徑，[σ]為許用正應力，F為設計承載力。將具體數值代入可得鋼拉桿有效截面處的應力為803.3MPa≤[σ]。

2.2 調節套筒有效截面處的應力

調節套筒外徑200mm，最大內徑130mm，外徑螺紋規格為M195X8，如圖3 所示。調節套筒的有效外徑為：

圖3 調節套筒組裝圖

套筒最不利處有效截面面積為：

套筒最不利處有效截面應力大小：

其中P為螺紋螺距，d為螺紋外徑，d'為調節套筒內徑，[σ]為許用正應力，F為設計承載力。將具體數值代入可得調節套筒有效截面處的應力593.1MPa≤[σ]。

2.3 螺紋旋合圈數

（1）擠壓強度校核：在鋼拉桿軸向力作用下，桿體螺紋與調節套筒螺紋受到擠壓。將一圈螺紋沿螺紋底徑展開，螺紋可視為寬度為πD的懸臂梁[7]，具體如圖4 所示。螺紋中徑：

圖4 螺紋展開圖

普通螺紋工作高度：

根據螺紋的許用擠壓應力得到螺紋旋合圈數為：

（2）抗剪強度校核：螺紋懸臂梁的危險截面位于A—A 處，螺紋根部寬度：

根據螺紋的剪切應力得到螺紋的旋合圈數為：

（3）抗彎強度校核：螺紋懸臂梁的抗彎危險截面位于A—A 處，根據螺紋的彎曲應力得到螺紋的旋合圈數為：

綜合以上計算結果，得到螺紋旋合圈數應取大值，其中P為螺紋螺距，D為螺紋大徑，D1為螺紋小徑，[ ]為許用正應力，[τ]為許用剪應力，F為設計承載力。將具體數值代入可得螺紋牙不發生剪切破壞時的最少旋合扣數為18，不發生彎曲破壞時的最少旋合數為19。由調節套筒組裝圖3，鋼拉桿旋合長度為180mm，螺距P=6mm，實際旋合圈數30 圈，滿足要求[8-9]。

2.4 支撐套筒應力驗算

支撐套筒外徑250mm，最大內徑190m，內螺紋規格為M195×8。支撐套筒的有效面積大于調節套筒的有效面積，故此處不再對其進行理論計算。

3 有限元分析

考慮ABAQUS 的接觸問題分析功能和非線性功能卓越。本文采用大型通用有限元分析軟件ABAQUS 對鋼拉桿端部節點按實際1：1 足尺建立有限元模型進行分析計算。桿體組裝完畢后，均速加載至6 000kN，力-位置曲線處于比例彈性階段，測得彈性模量為2.33×105Mpa。

3.1 材料本構關系

鋼拉桿、調節套筒、支撐套筒的本構關系取為二折線模型，為理想彈塑性。其中彈性模量根據鋼拉桿的拉伸試驗結果，取為2.33×105N/mm2，如圖5 所示。泊松比為0.30，密度取為7 850kg/m3，材料的屈服強度取為835Mpa。

圖5 鋼拉桿彈性模量試驗結果

3.2 有限元模型

有限元建模時，僅將上部鋼拉桿、調節套筒、支撐套筒建入模型中，并將下部鋼拉桿略去以減少接觸的數量，計算分析時以力的作用直接作用于調節套筒的內螺紋處。螺紋的計算分析通常采用做出螺紋實體后采用接觸分析，雖然得出的結果精確，但建模工作量大、接觸收斂困難。代替實體螺紋建模的操作為：在ABAQUS 接觸定義中設置跟螺紋形狀相關參數，如螺距、螺紋小徑等，摩擦系數取值為0.2，以此模擬真實的螺紋接觸情況，既節省了建模時間，又可以得到足夠精確的分析結果。具體有限元模型如圖6-9 所示。

圖6 鋼拉桿

圖8 支撐套筒

圖9 組裝模型

計算時，在上部高強度鋼拉桿端部施加完全固接約束，為精確模擬鋼拉桿端部節點的受力狀況，考慮頂層樓面荷載通過支撐套筒上表面，其余荷載通過調節套筒作用于其內螺紋，其中支撐套筒上表面所受荷載為1 000kN，下端鋼拉桿軸力為7 500kN，轉化為相應的支撐套筒上表面荷載以及調節套筒內螺紋面荷載分別為15.7N/mm2、82.1N/mm2。邊界以及荷載分布具體如圖10 所示。

圖10 荷載布置

網格單元類型選取六面體一階單元C3D8I，網格尺寸不得大于最小板件厚度的1/2，并在主要應力集中部位進行網格細化，模型有限元模型共有節點36 800 個，單元29 236 個，以提高分析精度。具體網格劃分如圖11 所示。計算屈服準則采用Von Mises 屈服準則。

圖11 網格劃分

3.3 計算結果

由計算結果可知，該鋼拉桿節點最大位移出現在調節套筒的最下端，大小為1.53mm，調節套筒的最大位移1.35mm，調節套筒的內外螺紋的最大相對滑移量差為0.18mm，其中第一圈滑移距離最大，以后各圈依次降低，具體位移圖如圖12所示。

圖12 位移圖

整體節點的最大應力出現在鋼拉桿的絲牙未旋入調節套筒處即上文所述的有效截面處，大小為661.1Mpa；支撐套筒以及調節套筒處的應力最大值出現在調節套筒變階處，其主要原因為套筒突然變階導致的應力集中，大小為444.5Mpa；套筒螺紋的最大應力出現在端部旋合第一圈螺紋處，大小約為333Mpa，具體應力分布如圖13 所示。

圖13 應力圖

由《鑄鋼節點應用技術規程》[10]：

其中σ1、σ2、σ3為計算點第一、第二、第三主應力，σzs為折算應力，βf為折算應力的強度值增大系數，γRE為承載力抗震調整系數。將具體數值代入，可得節點最大應力處：σzs≤βf·f/γRE=918.5MPa，強度滿足設計按要求。

4 鋼拉桿試驗

4.1 試驗方案

鋼拉桿拉伸實驗采用4 000t 臥式拉力試驗機，其總長為7m，內部空間為3.5m。為保證試驗階段鋼拉桿各組件、試驗機受力安全，試驗最大拉力荷載定為桿體（未削弱部分）的屈服設計荷載值9 439kN。調節套筒與支撐套筒固定于左側擋板處，中間采用調節套筒連接兩根高強度鋼拉桿，右側通過支撐螺母鎖緊于油缸側擋板，通過操作油壓操作臺使油缸對右側擋板產生推力，從而達到對實驗對象的拉伸目的，油缸與主結構之間上裝有相應的壓力傳感器，拉力顯示表上的數值即是試驗中的實際拉力。具體實驗組裝示意參見圖14。

圖14 組裝圖

4.2 試驗過程

（1）將拉桿組件與實驗工裝組裝完畢后放入實驗機，并調整至相應位置。

（2）安裝約束板，并將支撐筒一端固定在試驗機約束板外側，另一端螺桿用螺母鎖緊。

（3）開啟實驗設備，油缸頂升擋板，以不大于10Mpa/s 的速度加載，加載至10%的屈服荷載，消除配合間隙后，記錄“初始長度”。

（4）然后繼續以不大于10Mpa/s 的速度加載，每加載至預設目標值，記錄“實際拉力值”“實際長度”并計算出位移。（5）根據以上記錄，繪制相應的拉伸曲線。

4.3 試驗結果

4.3.1 鋼拉桿承載力驗證

試驗過程中均速加載至9 439kN，鋼拉桿整體組裝件（含鋼拉桿、中部調節套筒、左側調節套筒、左側支撐套筒、右側支撐螺母）均未出現明顯的塑性變形及螺紋破壞，鋼拉桿桿體也未出現明顯的頸縮。測得的鋼拉桿力-位移曲線顯示亦未出現明顯的屈服臺階，具體結果如圖15 所示。

圖15 力-位移曲線

各組件測量未發現明顯變形，螺紋部位旋合正常，如圖16、17 所示。

圖16 各組件試驗結果

圖17 鋼拉桿試驗結果

4.3.2 鋼拉桿彈性模量驗證

因各組件之間的螺紋配合必然存在著連接間隙，彈模計算時應將相關螺紋間隙消除，由試驗結果可知：當拉伸力小于500kN 時，力-位移曲線呈現明顯的非線性關系，故根據力-位移曲線選定彈性直線段時，只需選定直線段起點拉伸力需大于等于500kN 即可保證結果的可靠性。然后在直線段上取相距盡量遠的兩點之間的軸向力值增量和橫向對應的位移增量，再計算彈性模量。本次試驗中取彈性直線段的8 個記錄點，見表1。分四組根據公式得到彈性模量：E=(ΔF/S)/ (ΔL/L)，其中ΔF為力的增值，S為試樣截面，ΔL為位移增量，L為試驗桿體長度，計算所得的具體結果，見表2。

表1 記錄結果

表2 彈性模量計算結果

由試驗結果可知，成品試驗彈性模量較單根鋼拉桿測得的彈性模量具有一定的離散性，其均值的偏差約為14.2%，但張拉力越大越接近單根鋼拉桿的彈性模量。其原因可能為：成品試驗彈性模量試驗包含桿體、連接套筒、支承套筒、圓螺母、墊板等配件，上述配件通過四組螺紋副組合而成，每個配件的變形都對位移量有影響。

4.3.3 拉桿殘余變形及套筒變形

鋼拉桿各組件在勻速荷載作用下，加載至最大載荷9 439kN，而后勻速卸載直到試驗荷載歸零，測得鋼拉桿殘余變形量為1.3mm 且未發現套筒結構尺寸有明顯變化，具體結果如圖18 所示。

圖18 殘余變形圖

5 結論

（1）結合設計內力，采用理論公式計算分析得到：鋼拉桿端部非鐓粗部位的有效截面處應力大小滿足材料設計強度指標；鋼拉桿桿體螺紋規格為M118X6，調節套筒外徑螺紋規格為M195X8，且螺紋旋合圈數不小于19 圈時，螺紋擠壓、抗剪、抗彎均能滿足設計強度。

（2）對鋼拉桿、調節套筒、支撐套筒組成的節點進行有限元計算分析，計算結果顯示節點螺紋處應力狀態處于彈性階段，應力分布符合材料性質、加載方式等有關因素，節點變形及各螺紋牙的相對滑移均滿足設計要求。

（3）鋼拉桿整體組裝件在桿體屈服設計荷載值作用下，測得的力-位移曲線未出現屈服臺階，且各配件均未出現明顯的塑性變形及螺紋破壞，組裝件的殘余變形也僅為1.3mm。

以上計算結果與試驗相互佐證對工程設計、施工具有實際指導意義。