南昌西站Y型铸钢节点静力性能试验研究

2014-12-31王梦磊刘向华

合肥工业大学学报（自然科学版） 2014年1期

王梦磊，周安，史纲，刘向华

（1.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009；2.安徽土木工程结构与材料省级实验室，安徽合肥 230009；3.中铁四局钢结构有限公司，安徽合肥 230022）

铸钢节点由于其整体性好、强度高、适用范围广等优点，在近几年越来越好地应用于工程界［1］。专家学者对不同种类的铸钢节点进行了大量的研究，文献［2］对广州国际会展中心铸钢节点进行了有限元分析和试验；文献［3］对黄金树节点进行了受力性能研究分析；文献［4］对T型铸钢节点进行了不同参数分析；文献［5］对徐州火车站张弦桁架KK型铸钢相贯节点进行了研究；文献［6］对板式铸钢节点静力性能进行了研究。尽管各专家学者都对铸钢节点进行了大量的研究，我国也在2008年颁布了铸钢节点规范，但由于其外形的多样性、受力的复杂性等特点，规范较难对各种类型节点做统一规定。鉴于此，进一步开展对形状各异、受力复杂的铸钢节点进行研究，既能对规范提供补充，也能为将来节点的设计、制造、检验等提供参考。

1 工程概况与试件构造

南昌西客站又称南昌西站，是一个集铁路、地铁和市政交通设施于一体的大型综合交通枢纽。总规模为16台30线，其中高速场10台19线，综合场6台11线，高速场和综合场均拥有侧式站台各1个，站房总建筑面积约24×104m2。站台雨棚主体结构为倒“△”形管桁架形式，其中桁架梁与钢立柱交汇处通过铸钢节点连接，如图1所示。由图1可知，节点支撑着整个钢网架，且节点材质均匀与否未知，受荷状态比较复杂，为了了解节点工作状态，参照规范要求，本文对节点进行足尺模型试验。

图1 钢网架立面图

由图1可知，Y型节点支管与桁架下弦相连，主管固定于钢管混凝土柱上。节点具体构造及外形如图2所示，整个铸钢节点主要由主管和支管2个部分组成，其中在支管相交中心部位有圆形雨水管，2个支管中心对称。

图2 Y型铸钢节点

铸钢节点主要尺寸为：外轮廓1 312mm×1 100mm（高×宽），主管最大内、外径分别为503mm和550mm，厚度为55mm，支管内、外径分别为200mm和250mm，环形加劲板厚度为60mm，2个支管交角为77°，各截面之间倒角从R30～R200不等。铸钢节点材料选用文献［7］中的GS－20Mn5V调质，其化学成分与机械性能见表1、表2所列。

表1 铸钢材料主要化学成分 %

表2 铸钢材料机械性能

2 试验荷载及装置

2.1 试验荷载

文献［8］规定铸钢节点试验荷载不应小于设计荷载的1.3倍，支管设计荷载如下：受压荷载为－2 400kN，面内弯矩为175kN·m、面外弯矩490kN·m。

节点试验分为3个工况：工况1，为预加载工况，最终荷载达到试验荷载的1／2；工况2，为正式加载工况，最终荷载达到试验荷载；工况3，为卸载工况，最终荷载减至0。

各工况设置情况见表3所列。

表3 试验荷载工况

2.2 反力架装置

根据铸钢节点的受力特点及构造尺寸设计铸钢节点的自平衡反力架如图3a所示。整个反力架成棱柱形，分为上、中、下3层，平面形状为等腰三角形，外轮廓尺寸为5 592mm×5 592mm×5 745mm×3 100mm，主要采用Q345B钢材，根部均锚固于混凝土地面，节点水平放置，主管端部固定于反力架。为方便在节点上施加弯矩，试验采用2个刚度足够大的T梁作为介质施加荷载，如图3b所示。支管使用千斤顶1施加轴向压力，千斤顶2施加等效弯矩Mx，千斤顶3及千斤顶4组成力偶施加等效弯矩My。

图3 自平衡反力架

2.3 测点布置

参照初步有限元分析结果，支管端部周边、支管与主管相交处、2个支管和雨水管相交处为应力复杂区域，试验中主要在这些部位布置测点。但鉴于反力架内部操作空间的局限性，部分测点无法直接布置在峰值应力处，只在峰值附近区域设置测点。应变数据均通过三向应变花进行采集，节点共布置24个应变测点，测点位置如图4所示。

图4 应变测点布置图

3 数值模拟和有限元对比分析

3.1 屈服准则

工程上常用的屈服准则有5种，分别为Tresca准则、Von Mises准则、Mohr－Coulomb准则、Drucker－Prager准则及 Zienkiewicz－Pande准则。前2种主要适用于金属材料，后3种主要适用于混凝土及岩土材料。Tresca屈服准则没有考虑中间应力的影响，使用不便；而Von Mises屈服准则考虑了中间应力的影响，使用方便。Von Mises准则的表达式如下：

其中，σx、σy、σz为测点x、y、z方向的正应力；τxy、τyz、τzx为测点x、y、z方向的剪应力。

由（1）式可以看出，只有在6个应力分量都已知的情况下，才能得到测点的Mises应力值。但应变花只能够采集到平面内的3个应力分量，无法求解。由文献［9］知，工作中的铸钢节点虽然沿壁厚有一定的应力分量，但其对整体计算结果影响不大，故可以采用简化的Von Mises［10］公式进行计算，该公式为：

其中，ε1、ε2、ε3为应变花所测得应变；σ1、σ2为测点第一、二主应力；fy为屈服强度；ν为泊松比，取0.27。

3.2 有限元分析

3.2.1 有限元分析结果

运用大型通用有限元软件Workbench对Y型铸钢节点进行数值模拟。采用导入三维CAD实体模型的方法完成节点主要建模过程。模型中Y型节点单元选用solid187，弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.27。试验结果采用等效Mises应力表示，Y型铸钢节点在工况2下的Von Mises应力云图和整体位移图如图5所示。

图5 工况2下节点Von Mises应力及位移图

有限元模拟结果显示，南昌西站Y型铸钢节点在试验荷载作用下，最大Mises应力值为232MPa，位于支管与主管相交处，同时支管端部处应力也达到200MPa，其余部位应力值相对较低。

3.2.2 试验数据处理及对比

部分测点的折算Mises应力如图6所示。

图6 部分测点的Mises应力

由图6可知，Mises应力曲线变化基本光滑，没有出现应力值过大的现象，表明节点仍在弹性范围内工作。试验最大折算Mises应力达到223MPa，对应测点理论数值则为232MPa，相差3.4%。理论值与试验值对比见表4所列，由表4可知，试验结果均在理论分析范围之内，试验效果良好，同时也从反面验证了ANSYS－Workbench模拟结果的合理性。

表4 工况2下部分节点Mises应力试验值与计算值

4 雨水管及弯矩对节点影响

4.1 极限荷载下雨水管对节点承载力的影响

南昌西站Y型铸钢节点在小管相交处存在雨水管，直径为180mm。对比雨水管存在与否对节点受力性能的影响，分析所得节点的极限Von Mises应力云图如图7、图8所示。

图7 有雨水管时节点极限承载力及应力云图

图8 无雨水管时节点极限承载力及应力云图

由图7、图8可知，有、无雨水管节点的极限承载力分别为设计荷载的4.7倍和4.8倍，节点应力分布及位移分布相差都不大，表明雨水管的存在并未对Y型铸钢节点受力产生过大影响。

4.2 弯矩对节点极限轴力的影响

南昌西站Y型铸钢节点存在较大的弯矩，面内和面外设计弯矩分别达到175kN·m和490kN·m，过大的弯矩也可能对节点的应力分布和极限轴力产生影响。本文利用Workbench软件分析弯矩对节点极限轴向力的影响，分析方法为：保持轴向力不变，把试验弯矩分成5级加载，分别利用非线性有限元法计算每组荷载下所对应的极限轴向力，见表5所列。其中，1组只有轴力，2～6组包含轴向力和弯矩；Nz、Mx、My分别为节点承受的轴力、面内弯矩和面外弯矩；NS为节点的极限轴力。