桁架多維度相貫節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能分析及試驗(yàn)研究

鄧瑞芬

(山西三建集團(tuán)有限公司,山西 長(zhǎng)治 046000)

管桁架結(jié)構(gòu)作為一種重要的結(jié)構(gòu)形式,在現(xiàn)代工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。多維度管件相貫節(jié)點(diǎn)往往是承載結(jié)構(gòu)中最復(fù)雜和最關(guān)鍵的連接節(jié)點(diǎn),對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。本研究旨在通過(guò)對(duì)管桁架多維度管件相貫節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能、等效應(yīng)力和等效塑性變形進(jìn)行詳細(xì)分析,并結(jié)合試驗(yàn)研究來(lái)驗(yàn)證分析結(jié)果,揭示其結(jié)構(gòu)特性與性能規(guī)律,可以為管桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)提供科學(xué)依據(jù),進(jìn)一步提高整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的安全性、穩(wěn)定性和可靠性。本研究的意義不僅局限于管桁架結(jié)構(gòu),對(duì)于其他類似的空間體系以及相關(guān)領(lǐng)域的研究也具有一定的參考價(jià)值。同時(shí),通過(guò)對(duì)多維度管件相貫節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能進(jìn)行深入研究,可以為工程實(shí)踐中的管桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持,推動(dòng)結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的學(xué)術(shù)發(fā)展和實(shí)踐創(chuàng)新。

1 工程概況

某會(huì)展中心中間組團(tuán)項(xiàng)目總建筑面積96 288 m2,地下1層,地上2層,建筑高度36.6 m。項(xiàng)目屋蓋由四個(gè)角頂、十字連廊、玻璃穹頂三部分組成,其中,四個(gè)角頂中部各設(shè)一個(gè)“梭形天眼”。屋面由于開(kāi)有梭形天眼,結(jié)構(gòu)構(gòu)件在天眼處無(wú)法貫通,結(jié)構(gòu)布置時(shí)采用沿對(duì)角線布置的主桁架,次桁架垂直主桁架布置。“梭形天眼”的兩個(gè)對(duì)角上弦各有一處多維度管件相貫節(jié)點(diǎn),該節(jié)點(diǎn)由1根主管件與13根不同規(guī)格的次管件焊接而成,主管件直徑為325 mm,壁厚16 mm,次管件直徑范圍為60 mm～245 mm,壁厚范圍為6 mm～14 mm,管材均為Q355B低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。管桁架多維度管件相貫節(jié)點(diǎn)位置見(jiàn)圖1。天眼處上弦節(jié)點(diǎn)連接不在同一平面內(nèi)的15根桿件,桁架相貫節(jié)點(diǎn)焊縫集中,受力復(fù)雜,制作和安裝難度大。

2 試驗(yàn)方案與步驟

多維度管件相貫節(jié)點(diǎn)處,由于連接管件多、焊縫集中、受力復(fù)雜、制作與安裝難度大,節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能將直接影響角頂屋蓋結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。

為驗(yàn)證多維度管件相貫節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、制作及安裝完成后的力學(xué)性能,主要研究?jī)?nèi)容如下:1)通過(guò)節(jié)點(diǎn)的有限元分析,開(kāi)展各桿件在受力狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變研究,以確定節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是否安全;2)通過(guò)全方位同步加載實(shí)測(cè)試驗(yàn),監(jiān)測(cè)不同工況下主、次管件的應(yīng)力和位移變化,以驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能;3)利用靜態(tài)DIC(數(shù)字圖像監(jiān)測(cè))技術(shù),以監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)受力最大部位焊縫熱影響區(qū)的擴(kuò)展是否符合規(guī)范要求。

2.1 多維度管件相貫節(jié)點(diǎn)有限元分析

2.1.1 有限元建模數(shù)據(jù)

有限元模型理論分析是利用工程模擬有限元軟件(ABAQUS)建立多維度管件相貫節(jié)點(diǎn)有限元模型,基于該模型,模擬分析主、次管件在自重(1.0D,D為恒荷載)、標(biāo)準(zhǔn)組合(1.0D+1.0Q,Q為活荷載)、基本組合(1.3D+1.5Q)和1.2倍基本組合[1.2×(1.3D+1.5Q)]四種荷載組合工況下節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力和位移變化[1]。建立模型時(shí)節(jié)點(diǎn)相貫原則為:按管徑大小確定主、支管類型;若兩管徑相同,取軸力較大者為主管。材料參數(shù)選用雙折線強(qiáng)化本構(gòu),E=213 GPa,fy=355 MPa,fu=528 MPa。選取節(jié)點(diǎn)施加三向位移約束,對(duì)主管僅做軸向位移釋放。網(wǎng)格參數(shù)采用實(shí)體C3D4四面體單元,網(wǎng)格大小約6 mm～8 mm。多維度管件相貫節(jié)點(diǎn)有限元模型見(jiàn)圖2。

2.1.2 有限元理論分析

對(duì)四種荷載組合工況作用下管件節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)力和等效塑性變形進(jìn)行分析,從理論上驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)的安全性[2-3]。其中應(yīng)力、應(yīng)變最大的部位為:第一處位于3號(hào)桿件與主管件交匯的焊趾處,當(dāng)荷載超過(guò)1.2倍基本組合時(shí),隨著荷載值的繼續(xù)增加,該處應(yīng)力值會(huì)首先達(dá)到屈服強(qiáng)度,隨之進(jìn)入塑性硬化階段,荷載值繼續(xù)增加,塑性區(qū)域不斷擴(kuò)展;第二處位于12號(hào)桿件、13號(hào)桿件與主管件的交匯處,該處相對(duì)位移較大,在1.2倍基本組合下,其管件端口應(yīng)變?yōu)樗泄芗凶畲?但最大應(yīng)變值未超過(guò)材料的國(guó)家規(guī)范極限值(見(jiàn)圖3,圖4)。

2.1.3 分析結(jié)果

通過(guò)四種荷載組合工況下對(duì)管桁架多維度管件相貫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元模型理論分析,多維度管件相貫節(jié)點(diǎn)滿足應(yīng)力、應(yīng)變均在允許范圍之內(nèi),證明了節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的安全性。

2.2 全方位同步加載實(shí)測(cè)試驗(yàn)

根據(jù)梭形天眼處多維度管件相貫節(jié)點(diǎn)特點(diǎn),本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種空間結(jié)構(gòu)大型節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)全方位加載機(jī)構(gòu),保證足夠的剛度,能夠?qū)崿F(xiàn)15向桿件模擬實(shí)際受力同步加載。按照有限元模型理論分析中管件軸力,通過(guò)單向千斤頂向多維度管件相貫節(jié)點(diǎn)的主、次管件施加壓力或拉力,科學(xué)模擬四種荷載工況下各桿件的狀態(tài)。

通過(guò)制作加載裝置實(shí)測(cè)相貫節(jié)點(diǎn)的承載能力,研究管桁架多維度管件相貫節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力及應(yīng)變變化規(guī)律,為空間結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和理論參考。

2.2.1 加載裝置設(shè)置

根據(jù)節(jié)點(diǎn)特點(diǎn),桿件1～9共面,通過(guò)研究9根桿件位置,確定采用八邊形框架,提供加載點(diǎn);剩余10號(hào)～15號(hào)桿件處于3個(gè)斜交面,確定采用半八邊形框架,提供加載點(diǎn)。加載框架應(yīng)保證剛度。一方面,考慮加載架的整體剛度;另一方面,為加載點(diǎn)提供工作平面,框架構(gòu)件均采用箱形截面。全方位同步加載裝置的設(shè)計(jì)綜合考慮了自身裝置整體剛度、穩(wěn)定性及不同管件的空間位置,采用截面尺寸為600 mm×400 mm×30 mm的箱形截面,在加載點(diǎn)及加載架拼接位置增設(shè)加勁板,提高裝置的整體剛度。全方位同步加載裝置制作完成后,將多維度管件相貫節(jié)點(diǎn)試件置于加載裝置中,采用14臺(tái)獨(dú)立控制的液壓油泵分別對(duì)1根主管件和13根次管端部同步施加荷載,模擬各桿件的受力工況。

2.2.2 試件設(shè)計(jì)

依據(jù)實(shí)際工程施工圖圖紙,制作相貫節(jié)點(diǎn)。桿件長(zhǎng)度確定原則:1)桿直徑的3倍～4倍;2)壓桿長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng);3)加載節(jié)點(diǎn)板避免碰撞。根據(jù)以上原則,主管長(zhǎng)度確定為2 m,其他桿件長(zhǎng)度依據(jù)加荷裝置尺寸、千斤頂?shù)膰嵨缓托谐獭⒐?jié)點(diǎn)板避免碰撞確定。施加壓力荷載的桿端焊接端板,端板厚度根據(jù)桿件壁厚確定,編號(hào)為1,5,6,9,10的桿件端板厚度為30 mm;編號(hào)為11,12,15的桿件端板厚度為20 mm。

施加拉力荷載的桿端焊接端板和帶銷軸孔的耳板,編號(hào)為2,3,7,8,13,14的桿端焊接30 mm厚的端板和40 mm的耳板;編號(hào)為4的桿端焊接20 mm厚的端板和16 mm厚的耳板。各連接焊縫均保證全熔透。相貫節(jié)點(diǎn)試件實(shí)物見(jiàn)圖5。

2.2.3 分析結(jié)果

在試驗(yàn)前,首先對(duì)試驗(yàn)樣本進(jìn)行了預(yù)處理,確保其表面平整度和幾何形狀的精確性。加載過(guò)程中我們逐漸增加加載力,節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變和位移都隨之逐漸增加,表明節(jié)點(diǎn)的剛度隨著外部加載力的增加而減小,節(jié)點(diǎn)相貫處應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯,而且在加載的過(guò)程中能夠維持相對(duì)穩(wěn)定的性能表現(xiàn)[4-5]。通過(guò)全方位同步加載試驗(yàn)裝置科學(xué)模擬了設(shè)計(jì)荷載下各桿件的受力情況,我們獲得了節(jié)點(diǎn)在不同加載情況下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),為進(jìn)一步優(yōu)化管桁架多維度相貫管件的耐久性設(shè)計(jì)和維護(hù)提供了數(shù)據(jù)支撐。

2.3 焊縫熱影響監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)方案由管件應(yīng)力監(jiān)測(cè)、位移監(jiān)測(cè)及受力最大部位焊縫熱影響區(qū)擴(kuò)展情況監(jiān)測(cè)三部分組成。

2.3.1 管件應(yīng)力監(jiān)測(cè)方案

應(yīng)力監(jiān)測(cè)設(shè)備采用應(yīng)變式傳感器(簡(jiǎn)稱“應(yīng)變片”),通過(guò)測(cè)量管件受力變形所產(chǎn)生的應(yīng)變值,利用應(yīng)力應(yīng)變的相互關(guān)系,計(jì)算出應(yīng)力值。為監(jiān)測(cè)管件應(yīng)力情況,結(jié)合多維度管件相貫節(jié)點(diǎn)有限元模型分析結(jié)果,在各管件靠近節(jié)點(diǎn)焊縫15 mm處布置三軸應(yīng)變片,共計(jì)30個(gè);在各管件離桿端250 mm 處,沿管徑環(huán)向四等分處貼單軸應(yīng)變片,主管件兩端各貼4個(gè),每根次管件貼4個(gè),共計(jì)60個(gè)。應(yīng)變片布置位置及作用見(jiàn)表1。

表1 應(yīng)變片布置位置及作用(T表示三向片,S表示單向片)

2.3.2 管件位移監(jiān)測(cè)方案

管件位移監(jiān)測(cè)設(shè)備采用位移傳感器,通過(guò)將位移傳感器固定在管件上,并在加載裝置旁設(shè)位移監(jiān)測(cè)控制臺(tái),利用控制臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)控管件的位移情況[6-7]。為了解管件在不同荷載工況下的位移情況,在各管件端板處設(shè)置1個(gè)位移傳感器、在節(jié)點(diǎn)處設(shè)置1個(gè)位移傳感器,在加載架每側(cè)設(shè)置2個(gè)位移傳感器,共計(jì)24個(gè)位移傳感器(見(jiàn)表2)。

表2 位移計(jì)布置位置及作用

2.3.3 受力最大部位焊縫熱影響區(qū)監(jiān)測(cè)方案

受力最大部位焊縫熱影響區(qū)監(jiān)測(cè)采用靜態(tài)DIC(數(shù)字圖像監(jiān)測(cè))技術(shù),在節(jié)點(diǎn)焊縫及其兩側(cè)主、次管件150 mm范圍內(nèi),用專業(yè)工具刷涂白色啞光底漆(簡(jiǎn)稱“散斑”),將兩個(gè)高清相機(jī)以一定距離和夾角固定,以2 Hz速率采集整個(gè)加載過(guò)程中的散斑圖像,將采集到的散斑圖像導(dǎo)入靜態(tài)DIC數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行處理,獲得應(yīng)力場(chǎng)數(shù)據(jù),從而監(jiān)測(cè)受力較大部位焊縫熱影響區(qū)的擴(kuò)展情況。

2.3.4 分析結(jié)果

通過(guò)監(jiān)測(cè)管件應(yīng)力、位移及節(jié)點(diǎn)受力最大部位焊縫熱影響區(qū)的擴(kuò)展情況,試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能符合設(shè)計(jì)要求,為整體結(jié)構(gòu)的安全性提供了保證,確保了角頂屋蓋結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性[8]。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)節(jié)點(diǎn)的有限元分析、全方位同步加載試驗(yàn),以及受力最大部位焊縫熱影響區(qū)的監(jiān)測(cè)三個(gè)方面對(duì)管桁架多維度管件相貫節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能進(jìn)行了全面的分析和試驗(yàn)研究,并取得了一系列的試驗(yàn)成果。然而,仍有許多問(wèn)題需要進(jìn)一步研究和探討。我們期待未來(lái)的研究能夠進(jìn)一步完善理論模型,擴(kuò)大樣本范圍,優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,為管桁架多維度管件相貫節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能提供更為全面和實(shí)用的解決方案。希望本研究能夠?qū)ο嚓P(guān)領(lǐng)域的發(fā)展和實(shí)踐提供有價(jià)值的參考和借鑒。