新型螺栓球-H型钢梁节点力学特性分析

王鹏月,孙 强,谢 坚

(1.安徽建筑大学 土木工程学院,安徽 合肥 230601;2.中建材(合肥)钢构科技有限公司,安徽 合肥 230022)

二十世纪以来,空间网架结构因具有良好的受力性能和方便快捷的施工方法得到了飞速发展,其结构形式和设计理论也在不断创新。熟料库是水泥厂的重要储存库,其屋盖体系常采用网架结构,随着水泥熟料产量增加,熟料库储存量和跨度不断增加,在“碳达峰、碳中和”目标下,熟料库网架结构迎来了技术革新,迫使熟料库网架结构设计水平亟需提升。

现已有不少国内外学者对熟料库网架结构和螺栓球节点的力学性能进行了研究,余贞江等[1]通过对φ60 m水泥熟料库网架的静、动态特性分析,探讨了拉链机和设备以及温度荷载对网架的影响。朱玉林等[2]对熟料库网架结构进行改良,提出了一种焊栓结合的网架形式,在支座处使用焊接球,避免了大直径螺栓的使用,同时降低了造价。洪琨[3]等利用SAP2000对φ60 m的熟料库网架进行静力性能分析,结果表明,恒荷载和温度荷载对网架的影响较大,各种工况下网架的挠度均满足规范要求。喻晓晨等[4]利用Abaqus研究了螺栓球节点的静力和滞回性能,研究表明:节点受压时,套筒承受主要压力,受拉时锥头和螺杆受力较大,同时节点具有较好的延性和抗震性能。闫崴等[5]利用有限元软件建立了铝合金螺栓球精细化模型,研究了铝合金螺栓球节点螺纹轴向力的分布特性,结果表明:螺栓球的材料和螺栓拧入深度对结果影响较大,并推导了节点螺纹轴向力分布的计算公式。Qinghong S等[6]通过试验和对含螺纹裂纹扩展的螺栓球节点的弯曲断裂行为进行了研究,结果表明:螺纹的最大应力发生在与螺栓球相同的位置,大小随着螺纹半径的增加而降低,并提出了一种新的螺栓球断裂段抗弯承载力公式。

目前,对于熟料库网架的研究大多数是对网架整体的力学特性进行分析,针对熟料库网架力学性能改良的研究较少,因此结合具体工程,研究熟料库网架的力学性能改良是很有必要的。本文以合肥南方水泥熟料库网架为研究对象,提出了一种新型螺栓球-H型钢梁网架,并用有限元软件Abaqus建立了不同参数的新型螺栓球-H型钢梁网架节点模型,研究了节点在受拉、受压和受弯状态下力学性能。

1 新型螺栓球-H型钢梁节点设计

1.1 节点构造

南方水泥熟料库屋盖系统为圆台面螺栓球钢网架结构,其圆台面为库顶房的平台基础,承担了拉链机、收尘器等设备的荷载。库顶房平台网架为正放双层四角锥网架,其上弦构造是在网架上弦螺栓球上焊接支托,再在支托上架设H型钢梁,H型钢梁上铺设屋面板和混凝土层,因此上部荷载较大。这种结构形式不仅增加了用钢量,而且增加了施工难度和周期。为克服上述问题,提出了一种新型螺栓球-H型钢梁网架,省去了网架上弦杆和支托,传统网架和新型网架构造如图1和图2所示。

图1 传统网架上弦构造

图2 新型螺栓球-H型钢梁网架上弦构造

新型螺栓球-H型钢梁节点由螺栓球半球、空心圆柱体、节点板、连接板、高强螺栓和H型钢梁组成,如图3所示。螺栓半球可由传统螺栓球切割得到,其构造和传统螺栓球一样,球上开孔,通过高强螺栓和杆件连接,螺栓半球和空心圆柱体焊接,在空心圆柱体周围焊接节点板,H型钢梁腹板开孔通过高强螺栓和节点板连接,为提高节点刚度和承载力,H型钢梁的上下翼缘通过连接板和圆柱体焊接。新型节点形式的网架省去了网架的上弦杆和支托,节省了钢材,施工无需搭设檩托和檩条,降底了施工难度。

图3 新型螺栓球-H型钢梁网架节点构造

1.2 几何尺寸

为研究节点的受力性能,以圆柱体厚度,节点板厚度和高强螺栓个数为变参,建立4个节点模型,变参具体尺寸见表1。螺栓半球φ为220 mm,H型钢梁截面尺寸为300×200×10×14,长度为400 mm,高强螺栓型号均为M20,性能等级为10.9级,为加载方便,在钢梁端部设置加载板,加载板尺寸为350×250×20。节点受压、受拉和受弯均以这4组模型进行研究。

表1 模型变参几何尺寸

2 有限元模型的建立

2.1 单元类型及本构关系

采用有限元软件Abaqus进行建模,模型构件均采用8节点六面体减缩积分实体单元C3D8R。钢材材料均为Q235B,采用双折线本构关系,如图4所示。钢材屈服强度、抗拉强度和塑性应变等参数根据文献[7]中的材性试验取值,泊松比为0.3,高强螺栓的本构关系取理想弹塑性模型,10.9级高强螺栓其屈服强度为900 MPa。

图4 钢材的本构曲线

2.2 网格划分及接触设置

模型各个构件较为规则,可通过拆分几何元素命令将各个部件进行拆分,网格类型均为六面体结构化网格。节点板和钢梁腹板、高强螺栓螺帽和节点板、高强螺栓螺杆和节点板之间采用表面与表面接触,切向行为定义为罚函数摩擦模型,摩擦系数为0.15,法线行为定义为硬接触;螺栓球半球和圆柱体、圆柱体和节点板、圆柱体和连接板之间采用“Tie”绑定约束。

2.3 加载方式及边界条件

模型共设置了3个分析步骤:① 施加螺栓荷载,模拟螺栓预紧力,查阅规范[8]知M20高强螺栓的预紧力为150 kN;② 固定螺栓当前长度;③ 在模拟节点受拉和受压时,对一侧钢梁施加相应X方向的位移,另一侧钢梁完全固定;在模拟节点受弯时,两侧钢梁加载板完全固定,在螺栓半球上施加Z负方向的位移。为方便施加荷载,在两侧钢梁端部设置加载板,有限元模型如图5所示。

图5 节点有限元模型

3 结果分析

3.1 节点失效准则

由模拟结果可知,该节点在受压、受拉和受弯作用下,其荷载-位移曲线没有明显的屈服点和加载后期的下降段,将节点的抗压、抗拉、抗弯刚度降低为初始刚度Ki的95%后的点作为节点的屈服点,将抗拉、抗压、抗弯刚度降低为初始刚度Ki的10%的点作为节点的极限承载力点[9]。

3.2 节点受压

3.2.1 节点受压荷载-位移曲线

为了研究节点在受压状态下的力学性能,对梁端加载点处的荷载-位移曲线进行分析,如图6所示。从图中可以看出,4组节点的荷载-位移曲线有着相同的走势,节点具有很强的抗压性能。在弹性阶段,节点的载荷-位移曲线呈现出线性关系,位移随着载荷均匀地增加。而随着载荷的增大,载荷-位移曲线的斜率逐渐下降,节点进入弹塑性阶段,节点的抗压刚度也逐渐降低。由变参结果可知,增加圆柱体厚度、节点板厚度和顶板厚度均可提高节点的抗压刚度和抗压承载力。其中,增加圆柱体厚度最为明显,其抗压刚度和极限承载力最大,抗压屈服荷载和极限承载力分别为1 478和2 270 kN,极限承载力较第一组增加了22.7%。由此可知圆柱体的厚度对节点的抗压性能有较大影响;其次是增加顶板厚度,极限承载力较第一组增加了12.4%,增加节点板厚度对节点的抗压性能影响不大。

图6 节点受压荷载-位移曲线

(a) 弹性阶段应力云图

3.2.2 节点受压受力分析

以第一组节点为例,从弹性阶段,弹塑性阶段和加载后期3个时期的应力云图来分析节点受压的受力特点,如7图所示。从图中可以看出,在弹性阶段,各构件应力水平较低,最大应力在高强螺栓处,为639.8 MPa。连接板和圆柱体连接处以及圆柱体顶板受力较为明显,承担主要压力;随着荷载的增加,连接板和圆柱体上下连接处表面先发生屈服,形成塑性铰,随后钢梁上翼缘也进入屈服,节点板与圆柱体接触面上下两端受力较大,但未达到屈服;进入加载后期,顶板和连接板基本全部屈服,顶板发生挤压变形,圆柱体表面的塑性区域逐渐扩大,上下两端压缩变形,节点板连接处也受压屈服,随着圆柱体和顶板挤压变形较大,节点失去承载能力。

3.3 节点受拉

3.3.1 节点受拉荷载-位移曲线

取梁端加载点处的荷载-位移曲线进行分析,如图8所示。从图中可以看出,4组节点受拉的荷载-位移曲线趋势相同。在弹性阶段,位移随着荷载均匀增加;随着荷载的增加,构件达到抗拉屈服强度,刚度逐渐降低,节点进入弹塑性阶段,荷载-位移曲线斜率逐渐降低。从变参结果来看,增加圆柱体厚度对增加节点抗拉刚度和承载力最为明显,其抗拉屈服荷载和极限承载力分别为1 463和2 230 kN,极限承载力较第一组增加了16.2%;其次是增加顶板的厚度,极限承载力较第一组增加了13.9%,增加节点板厚度对节点的抗拉性能影响不大。

3.3.2 节点受拉受力分析

以第一组节点受拉为例,从弹性阶段,弹塑性阶段和加载后期3个时期的应力云图来分析节点受压的受力特点,如图9所示。从图中可以看出,在弹性阶段,拉力主要有钢梁上下翼缘承担,连接板与圆柱体连接处受拉力较大,节点板处受力较小;随着拉力的增加,下连接板处先达到屈服强度,随后上连接板也达到屈服,圆柱体下部与连接板连接处应力水平较大,形成塑性铰;钢梁上下翼缘的两端即将达到屈服强度,腹板和节点板受力较小,仍处于弹性阶段,圆柱体顶板已经几乎全截面屈服,节点的抗拉刚度逐渐降低,节点进入弹塑性阶段;荷载进一步增加,上下连接板和顶板均已全截面屈服,圆柱体表面塑性范围进一步扩大,节点板连接处应力水平最大,上端已经屈服,由于模型对于焊缝采用绑定的接触,无法看到焊缝拉断的现象,但可以从应力云图中看到材料达到极限应力的状态,可以判断节点的破坏模式为连接板和圆柱体连接焊缝处被拉断,节点失去承载能力。

(a) 弹性阶段应力云图

3.4 节点受弯

3.4.1 节点受弯荷载-位移曲线

为研究节点的受弯性能,将两端钢梁完全固定,在螺栓球半球上施加Z轴负方向的位移,模拟节点受弯,提取加载点的荷载-位移曲线进行分析,如图10所示。从图中可以看出,在弹性阶段,荷载-位移曲线呈线性上升,节点有着较大的抗弯刚度,随着荷载的增加,曲线的斜率逐渐降低,节点进入弹塑性阶段,位移变化加快,抗弯刚度逐渐降低。和第一组相比,其余3组节点的初始抗弯刚度和极限承载力均有所提高,其中第二组增加圆柱体厚度对节点的受弯性能影响最大,其屈服荷载和极限承载力分别为767和1 094 kN,比第一组分别提高了12.8%和6.2%;其次是第三组增加节点板的厚度,其屈服荷载和极限承载力分别为733和1 070 kN,比第一组分别提高了7.8%和3.9%,改变顶板厚度对节点的受弯性能影响不大。

图10 节点受弯荷载-位移曲线

3.4.2 节点受弯受力分析

以第一组节点受弯为例,从弹性阶段,弹塑性阶段和加载后期3个时期的应力云图来分析节点受弯的受力特点,如图11所示。从图中可以看出,在弹性阶段,钢梁腹板应力水平较大,明显高于钢梁翼缘,上下连接板与圆柱体连接处受力较大,节点板下端受较大的压力。随着荷载增加,节点板下端与圆柱体连接受压处先达到屈服,随后钢梁腹板与下连接板连接处也达到屈服,钢梁腹板应力水平进一步提高。弯矩作用下,高强螺栓受到剪力,切应力逐渐增大,圆柱体上部受拉,下部受压,但仍未屈服。到加载后期,钢梁腹板全截面屈服,节点板屈服面积增大,节点板内侧螺栓孔处受拉屈服,上连接板和顶板受拉,下连接板受压,均达到全截面屈服,高强螺栓也达到屈服应力,圆柱体受到节点板挤压,发生压缩变形。随着荷载的增加,变形进一步变大,节点受弯破坏。

4 结论

1) 节点在受压作用时,圆柱体厚度、节点板厚度和圆柱体厚度均对节点承载力有影响,圆柱体厚度影响最大,厚度增加4 mm,其抗压承载力提高了22.7%,节点受压时,圆柱体和顶板会发生较大的压缩变形,导致节点破坏。

2) 节点在受拉作用时,圆柱体厚度、节点板厚度和顶板厚度对节点的刚度和承载力影响不大,连接板和圆柱体连接焊缝处最先达到屈服,焊缝质量是受拉承载力的关键。

3) 节点在受弯作用时,圆柱体厚度、节点板厚度和顶板厚度的增加会增加节点的抗弯刚度和极限承载力,圆柱体厚度影响最大,厚度增加4 mm,其承载力提高了6.2%,改变顶板厚度对节点的受弯性能影响不大,加载后期圆柱体下部受压发生压缩变形,节点破坏。

4) 新型螺栓球-H型钢梁网架节点均具有较高的抗压、抗拉和抗弯承载力,可以满足熟料库网架的设计荷载要求。