大型铸钢节点加载试验研究

钱利锋 周益君 关富玲

(1.浙江绿城六和建筑设计有限公司，浙江杭州 310027;2.浙江大学建筑工程学院，浙江杭州 310058)

0 引言

对于铸钢节点国内目前没有成熟的设计方法，对此类节点主要进行荷载试验来检验其受力性能［1，2］。但一般试验只能测量到节点外表面的应力状态，对节点内部应力状况无法测试，需要通过铸钢节点表面现场测试和有限元分析比较，相互印证，以有限元分析的结果来推断整个铸钢节点内部的应力状况。例如上海南站无柱雨棚铸钢节点［3］、南京奥体中心体育场钢屋盖主拱铸钢节点［4］、苏州博物馆多杆相交铸钢节点［5］等典型的工程均运用试验研究和理论分析相结合的方法来测试节点的受力性能、加工工艺和承载能力。

位于富春江边上的桐庐励骏酒店是超五星级设计，结构形式为钢框架，建筑高度138 m(见图1)。入口大堂存在巨大悬挑达30 m(见图2)，支撑悬挑部分的节点采用铸钢节点。铸钢节点体型巨大，受力复杂，又处于至关重要的位置，其可靠性直接影响结构的安全。

现选取其中一个节点进行试验分析，对节点应力等效，简化为轴向加载方式，通过试验结果和理论分析结果比较，准确了解该铸钢节点的承载性能。

图1 桐庐励骏酒店

图2 入口大堂悬挑结构

1 节点描述及等效方案

试验选取编号为ZG-55的铸钢件进行静力荷载试验，节点材料为德标低合金铸钢G20Mn5，自重10.224 t，节点的几何尺寸见表1，三维模型见图3。

表1 ZG-55几何尺寸 mm

节点处于悬挑部位，杆件受力复杂，承受轴力和剪力的同时，弯矩不容忽视，试验中若想完全真实地模拟实际受力，存在一定的困难。为简化加载方案，使试验操作切实可行，并达到检测铸钢件加工工艺和节点受荷性能预测的目的，现提出新的加载方案，此方案已得到中建上海设计方的同意。

图3 ZG-55几何示意图

取铸钢节点分支端口最薄弱的截面为计算对象，此时计算的应力是最不利情况。将弯矩、剪力、轴力产生的总应力通过等效折算成轴力，再利用平衡原理对受力进行适当调整。最终等效结果见表2。

表2 ZG-55等效后荷载

通过ANSYS分析节点实际加载与等效加载，对测点的第一主应力和第三主应力进行比较(见图4)。由于根据最不利处应力等效，等效后荷载产生的主应力大于或接近于原荷载产生的主应力，但两者应力在大致趋势上是符合的，等效后荷载能够模拟实际荷载进行试验分析。

2 试验加载

2.1 测点布置

根据ANSYS有限元分析结果，应变花主要粘贴在杆件根部，此处不同杆件的应力相互作用，受力复杂。对于杆件1，5所受的力较大，应加密应变花的布置。共在铸钢节点上布置60个应变花(180个测点)，如图5所示。量测出应变花三个方向的应变，求算出主应力的大小和方向。

图4 实际加载与等效加载ANSYS分析比较

图5 测点布置

2.2 加载方案

将节点安装固定在反力架上，反力架如图6所示，设计荷载为600 t，满足设计要求。

图6 反力架

固定杆件1，2，根据力平衡原理，这两个杆件在加载时可以被动受力。通过连接帽实现千斤顶或反力架与杆件的连接，避免各个节点在端面坡口处应力集中而破坏。在连接帽端板中通过锚具夹片穿出，满足强度要求的钢绞线进行受拉杆件的加载，然后使钢绞线穿过反力架的节点，在反力架节点的对面安装穿心千斤顶施加拉力，反力也作用在反力架上，这样反力架也满足力的自平衡。连接帽与节点端头连接如图7所示，千斤顶与反力架的连接如图8，图9所示。

试验采用5级加载，3级卸载，每级加载都使节点受力平衡。加载过程中，控制各杆件的同步加载是试验实施的重点。施加的杆端力是通过千斤顶油压进行控制。每次加载至预定荷载等级并稳定2 min后利用DH3815N静态应变测试系统采集数据。

图7 连接帽与节点端头相连图

图8 受压千斤顶油缸连接形式

图9 穿心千斤顶油缸连接形式

3 数值分析

通过ANSYS软件对节点进行理论分析，采用三维实体单元(Solid95)，模型在各杆件相连应力复杂处细分网格，以获得足够高的计算精度。有限元分析时模拟试验中的加载和约束情况，分析得到节点变形云图以及在试验荷载下的第一、三主应力的应力分布云图见图10。

图10 应力云图

4 试验结果与有限元分析结果的比较分析

根据试验测得每个位置应变，得到该点的第一、三主应力，并与ANSYS分析结果进行比较。比较曲线见图11。

图11 试验数据与ANSYS数据比较

通过比较节点的试验数据与理论结果可以看出，两者的数值变化趋势是比较吻合的。理论分析得到在杆件3根部第一主应力值较大，相对应测点10～13测得的数值较大，最大达到81.27 MPa。理论分析可得节点的第三主应力较小且较均匀，其中杆件5施加的压力达3 932 kN，相对应的第三主应力值较其他杆件大，其上的测点42～53数值上较其他测点大，最大的值为－77.68 MPa。说明试验能够真实地反映ZG-55各个杆件的受力情况。

5 结语

1)对受力复杂的铸钢节点，试验中无法真实施加实际荷载，可通过等效应力的方法简化加载方案，以达到试验的目的。

2)对于节点的加载，采用固定某几根杆件，然后对另外几根杆件施加主动力的做法在很大程度上减少试验的误差，避免油缸不能同时操作的缺点，提高试验的精确性。

3)数据的采集和分析均采用比较先进的软件进行，保证了数据的可靠性与准确性。试验与理论结果比较吻合，铸钢节点加工性能良好。

4)试验过程中，铸钢节点没出现破损和局部破坏，在试验状态下，理论模拟可以预测实际的工作状况。

［1］戴国欣，李万伟，刑世建，等.重庆江北国际机场新航站楼大跨钢桁架铸钢节点性能研究［J］.建筑结构学报，2005，26(4)：70-75.

［2］卞若宁，陈以一，赵宪忠，等.空间结构大型铸钢节点试验研究［J］.建筑结构，2002，32(12)：45-47.

［3］罗永峰，康 杰，王人鹏.上海南站无柱雨棚铸钢节点试验研究［J］.钢结构，2006，5(21)：7-10.

［4］邹连海，吴 京，李 龙.南京奥体中心体育场钢屋盖主拱铸钢节点试验方案研究［J］.江苏建筑，2005(1)：14-16.

［5］舒赣平，梁元玮，戴雅萍.苏州博物馆多杆相交铸钢节点试验研究与理论分析［J］.钢结构，2007，12(22)：1-5.