重慶江北機(jī)場(chǎng)大型復(fù)雜鑄鋼件受力性能分析與試驗(yàn)研究
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徐 坤1，高勇剛1，徐聯(lián)民1，馮 鋒1，陳 治1，徐士杰1,2
（1．中建鋼構(gòu)有限公司，四川成都 620564;2．青島綠城建筑設(shè)計(jì)有限公司，山東青島 266000）
[摘要]網(wǎng)架結(jié)構(gòu)已經(jīng)在建筑工程領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，而傳遞網(wǎng)架結(jié)構(gòu)內(nèi)力的關(guān)鍵部位之一就是鑄鋼件，其受力性能能否滿足施工和使用要求至關(guān)重要。重慶江北機(jī)場(chǎng)新建航站樓天窗位置空間造型迥異、鑄鋼件的受力相對(duì)復(fù)雜，利用ANSYS有限元軟件對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行分析，通過(guò)試驗(yàn)，對(duì)典型鑄鋼件分級(jí)進(jìn)行加載，對(duì)其不同部位的應(yīng)變采用不同的采集方式。這一系列的工作保證了施工過(guò)程安全有效地進(jìn)行，結(jié)果也印證了用ANSYS對(duì)鑄鋼件進(jìn)行有限元分析的可行性。
[關(guān)鍵詞]鋼結(jié)構(gòu)；鑄鋼件；受力性能；有限元分析；試驗(yàn)
[中圖分類號(hào)]TU391 [文章編號(hào)]1002-8498(2016)08-0067-05
1工程概況
重慶江北國(guó)際機(jī)場(chǎng)新建T3A航站樓位于重慶東北方向的渝北區(qū)，T3A航站樓建筑平面呈“X”形，可分為E區(qū)中央大廳及A，B，C，D指廊共5個(gè)部分，平面呈蝶形。中央大廳平面尺寸為279m×393m（最窄處）~401m×456m（最寬處），其平面沿南北向設(shè)置了4道天窗帶，天窗帶兩側(cè)屋蓋有1～4. 3m高差，建筑造型要求屋蓋下表面也形成相應(yīng)高差，屋蓋鋼結(jié)構(gòu)在此采用折板網(wǎng)架的形式，天窗區(qū)域采用立體桁架，桁架節(jié)點(diǎn)采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)。
鑄鋼節(jié)點(diǎn)可以避免或降低構(gòu)件相接處的應(yīng)力集中程度，具有節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)自由度大、外形美觀等特點(diǎn)，在越來(lái)越多的工程中被采用。
重慶江北國(guó)際機(jī)場(chǎng)新建T3A航站樓同樣運(yùn)用了大量的鑄鋼節(jié)點(diǎn)，但是網(wǎng)架天窗部位部分鑄鋼節(jié)點(diǎn)構(gòu)造最為復(fù)雜，體型大、端口較多、受力較大（見圖1），對(duì)其進(jìn)行有限元分析和相關(guān)的試驗(yàn)研究是保證該工程順利進(jìn)行的必要條件。
2研究背景
重慶江北機(jī)場(chǎng)T3A航站樓E區(qū)大廳采用大跨度空間鋼桁架和兩向正交鋼管桁架結(jié)構(gòu)。其中不少鋼管桁架節(jié)點(diǎn)是空間多桿件相交匯的復(fù)雜相貫節(jié)點(diǎn)，受力狀態(tài)極為復(fù)雜。因此，選擇其中的一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行足尺模型試驗(yàn)，研究節(jié)點(diǎn)的受力性能，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)是否合理，判斷采用ANSYS對(duì)其進(jìn)行的計(jì)算與實(shí)際情況的差別是否滿足要求，這樣可以保證施工和使用過(guò)程中節(jié)點(diǎn)的安全，為了使工作更具代表性，所選取的鑄鋼節(jié)點(diǎn)位置比較典型，受荷相對(duì)較大，端口連接桿較多，只要選取的節(jié)點(diǎn)能夠滿足強(qiáng)度要求，其他鑄鋼節(jié)點(diǎn)承載力亦沒(méi)有問(wèn)題。
為了能夠更好地體現(xiàn)試驗(yàn)的效果，選取重慶江北機(jī)場(chǎng)T3A航站樓最有代表性的鑄鋼件節(jié)點(diǎn)ZGJ -6，探究在指定工況作用下的受力性能，對(duì)此節(jié)點(diǎn)進(jìn)行軸向拉壓試驗(yàn)，檢驗(yàn)其承載力水平是否滿足設(shè)計(jì)要求。鑄鋼件節(jié)點(diǎn)及指定最不利工況如圖2所示，其中軸力和剪力單位為k N，彎矩單位為k N. m。
3 有限元分析
3.1 有限元模型
由于本次研究對(duì)象體型復(fù)雜，采用Solid Works進(jìn)行有限元實(shí)體模型的建立，根據(jù)鑄鋼件實(shí)際尺寸采用1:1進(jìn)行模型建立，然后導(dǎo)人ANSYS進(jìn)行有限元分析，采用三維實(shí)體單元對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，每個(gè)單元有10個(gè)節(jié)點(diǎn)（4個(gè)角點(diǎn)和6個(gè)中間節(jié)點(diǎn)），每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度，采用局部加密的自適應(yīng)法劃分節(jié)點(diǎn)計(jì)算模型的網(wǎng)格。
分析中鑄鋼假定為理想的彈塑性材料，材料的彈性模量為2. 06×105 M Pa，泊松比取0.3．屈服強(qiáng)度為360MPa，進(jìn)行彈塑性分析時(shí)，采用VonMises屈服準(zhǔn)則及相關(guān)的流動(dòng)法則。由于鑄鋼球管節(jié)點(diǎn)的壁比較厚，為提高計(jì)算精度，網(wǎng)格劃分控制單元尺寸為25mm。根據(jù)MST2011求出的各個(gè)桿件的軸力，鑄鋼節(jié)點(diǎn)各個(gè)桿件的內(nèi)力是平衡的，為使結(jié)果反映節(jié)點(diǎn)的真實(shí)受力狀態(tài)，邊界條件為節(jié)點(diǎn)在某一工況下桿件軸力、彎矩及剪力反向施加于該節(jié)點(diǎn)上。
受荷載大�。ㄖ饕ㄊ茌S力、彎矩及剪力），采用通用有限元程序ANSYS模擬鑄鋼節(jié)點(diǎn)在上述工況下所產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變、變形，并以此作為評(píng)價(jià)鑄鋼節(jié)點(diǎn)安全性的依據(jù)。
3.2應(yīng)力云圖
在通用有限元軟件ANSYS中對(duì)該鑄鋼件節(jié)點(diǎn)在實(shí)際工程該工況作用下的受力性能進(jìn)行模擬，等效應(yīng)力云圖如圖3所示。
4 加載與試驗(yàn)方案
4.1試驗(yàn)基本要求
1)進(jìn)行試驗(yàn)的試件為1件，采用足尺試件，用作試件的鑄鋼節(jié)點(diǎn)采用與實(shí)際節(jié)點(diǎn)相同的加工制作參數(shù)，并在試驗(yàn)前按實(shí)際節(jié)點(diǎn)檢驗(yàn)要求進(jìn)行檢驗(yàn)。
2)本試驗(yàn)為檢驗(yàn)性試驗(yàn)，加載時(shí)不允許發(fā)生試驗(yàn)部位及非試驗(yàn)部位的損壞。
3)本試驗(yàn)最終施加的荷載不應(yīng)小于指定工況荷載值的1.3倍。
4)本試驗(yàn)被要求加載指定工況為1個(gè)(工況2)。
本試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)共有8個(gè)桿端，各桿端編號(hào)如圖4所示。
為了方便描述，將本鑄鋼件節(jié)點(diǎn)的各支管根據(jù)圖2中顯示的軸力大小予以命名，具體命名情況如表1所示。
4.2試驗(yàn)裝置
如圖5所示，采用試驗(yàn)裝置內(nèi)的頂部主油缸、側(cè)向的輔助油缸和伺服油缸對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加載。1號(hào)主油缸的最大加載能力為12 000kN，2～5號(hào)輔助油缸的最大加載能力為8 000kN，6～7號(hào)伺服油缸的最大加載能力為6 000kN。為了減小加載可能造成的偏心影響，油缸與頂管端部之間設(shè)置了球鉸。
4.3荷載取值
在試件加工時(shí)將鑄鋼件與各支管焊接，并在支管端部通過(guò)端板處的螺栓與油缸固定。加載過(guò)程中將指定工況下的荷載施加于桿端，忽略數(shù)值較小的彎矩和剪力，只施加軸向荷載。另外FG3和FG6因荷載過(guò)小，故沒(méi)有進(jìn)行接長(zhǎng)，放棄加載。
本試驗(yàn)采用逐級(jí)加載，最大加載到指定工況的1.3倍，最終卸載歸零。
4.4測(cè)點(diǎn)布置
根據(jù)節(jié)點(diǎn)受力特點(diǎn)，管身應(yīng)力主要為軸向應(yīng)力，因此采用單向應(yīng)變片測(cè)試；管管匯交區(qū)域尤其是多條相貫線附近區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)比較復(fù)雜，采用三向應(yīng)變花測(cè)量。
本試驗(yàn)主要測(cè)量加載過(guò)程中鑄鋼件節(jié)點(diǎn)各部位的應(yīng)力應(yīng)變變化情況。測(cè)試采用電阻應(yīng)變計(jì)法，應(yīng)變采集工作由DH3816靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)承擔(dān)。具體的測(cè)點(diǎn)布置情況如下：①對(duì)于鑄鋼件的各支管，除了放棄加載的FG3和FG6以外（下同），在每一支管的中部區(qū)域截面（距離支端250mm）布置單向應(yīng)變片，每隔45。布置1個(gè)，每個(gè)截面共布置8個(gè)，總計(jì)48個(gè)。編號(hào)為Pl~P48。按FG1，F(xiàn)G2，F(xiàn)G4，F(xiàn)G5，XG1，XG2的順序排列，每個(gè)截面順時(shí)針排列（下同）。②在鑄鋼件各支距離相貫線20mm處布置三向應(yīng)變花，每隔900布置1個(gè)，每個(gè)截面共布置4個(gè)，總計(jì)24個(gè)。編號(hào)為Hl~H24。③在鑄鋼件各支端部與支管對(duì)接焊縫距離40mm處布置三向應(yīng)變花，每隔900布置1個(gè)，每個(gè)截面共布置4個(gè)，總計(jì)24個(gè)。編號(hào)為H25~H48。應(yīng)變片布置與測(cè)點(diǎn)編號(hào)如圖6~8所示，圖中應(yīng)變片用P表示，應(yīng)變花用H表示。
4.5加載路徑
在正式加載前，首先對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行3級(jí)預(yù)加載，每級(jí)取設(shè)計(jì)荷載的10%，并分3級(jí)卸載，每級(jí)加（卸）載間歇為5min。
正式加載時(shí)分13級(jí)加載，每級(jí)荷載為設(shè)計(jì)荷載的10%，逐級(jí)加載至指定工況的1.3倍，最終逐級(jí)卸載至零。為使整個(gè)加載過(guò)程中數(shù)據(jù)采集真實(shí)準(zhǔn)確、變形得到充分發(fā)揮，每級(jí)加載應(yīng)至少間隔5min，期間采集應(yīng)變數(shù)據(jù)3次，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定之后進(jìn)行下一級(jí)加載。加載只有軸力，F(xiàn)G3和FG6因荷載過(guò)小放棄加載，弦桿1與加載系統(tǒng)內(nèi)的底座通過(guò)端板和高強(qiáng)螺栓固定。
5試驗(yàn)結(jié)果
5.1實(shí)測(cè)數(shù)值
該鑄鋼件節(jié)點(diǎn)加載至指定工況的1.3倍時(shí)的應(yīng)力數(shù)據(jù)如表2~4所示。其中表2通過(guò)單向應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)采集的應(yīng)變直接計(jì)算而成。表3、表4通過(guò)三向應(yīng)變花采集的應(yīng)變換算而成（編號(hào)前加H）。表中數(shù)值拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。
5.2荷載，應(yīng)力曲線
圖9為各管管身中部以及管身端部的軸向應(yīng)力隨加載級(jí)數(shù)增加的變化情況。
需要說(shuō)明的是，本次試驗(yàn)采用與實(shí)際工程中相同截面的支管，并采用相同的連接方式與鑄鋼件節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)接。對(duì)于各管身同圈軸向應(yīng)力存在些許不均勻的現(xiàn)象，可能是對(duì)接焊縫的質(zhì)量所致。在加載至指定工況的1.3倍時(shí)，鑄鋼件各腹桿和弦桿的管身中部軸向應(yīng)力的理論計(jì)算結(jié)果，及其與試驗(yàn)過(guò)程中在鑄鋼件相應(yīng)位置實(shí)測(cè)得到的軸向應(yīng)力的比較情況如表5所示，表中每個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)結(jié)果為各管身中部測(cè)點(diǎn)軸向應(yīng)力的平均值。
6 結(jié)語(yǔ)
本次試驗(yàn)針對(duì)重慶江北機(jī)場(chǎng)T3A航站樓的鑄鋼件節(jié)點(diǎn)ZGJ1，進(jìn)行了足尺試件的分級(jí)加載試驗(yàn)，最大加載值為指定工況設(shè)計(jì)值的1.3倍。同時(shí)，進(jìn)行了該鑄鋼節(jié)點(diǎn)的有限元對(duì)比分析。主要結(jié)論如下。
1)通過(guò)加載過(guò)程中采集得到的應(yīng)力數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，鑄鋼件各管身的軸向應(yīng)力的應(yīng)力梯度較小，而管管交匯區(qū)的主應(yīng)力的應(yīng)力梯度較大。加載至1.3倍指定工況狀態(tài)時(shí)，管身最大軸向應(yīng)力為115. 0MPa，管管交匯處的最大主應(yīng)力為214. 6MPa，管身端部的最大主應(yīng)力為115. 0MPa，均低于鑄鋼件材質(zhì)G20Mn5 QT強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(235MPa)。
2)通過(guò)與理論計(jì)算的對(duì)比，理論計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果呈現(xiàn)了相似的規(guī)律，通過(guò)應(yīng)力云圖可以看出，鑄鋼件在該指定工況作用下，等效應(yīng)力最大值為153. 2MPa，出現(xiàn)在管管交匯區(qū)域，理論計(jì)算值小于試驗(yàn)值。
3)隨著指定工況荷載的逐級(jí)施加，鑄鋼件各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力均呈現(xiàn)較好的線彈性增長(zhǎng)趨勢(shì)，直至施加到1.3倍設(shè)計(jì)荷載，鑄鋼件未發(fā)生試驗(yàn)部位和非試驗(yàn)部位的破壞，仍處于彈性受力狀態(tài)，表明鑄鋼件節(jié)點(diǎn)ZGJ1在指定工況作用下，滿足材料強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求。
有限元模擬得到的理論值和實(shí)際數(shù)值存在差異是很正常的，通常這種差異來(lái)自幾個(gè)方面：①有限元軟件本身的誤差 本身有限元就是一個(gè)離散模型，和實(shí)際鑄鋼件構(gòu)件相比存在離散化誤差，同時(shí)有限元模擬方法是建立在一些先行假設(shè)的基礎(chǔ)上，這些假設(shè)也有可能會(huì)帶來(lái)誤差；②試驗(yàn)簡(jiǎn)化帶來(lái)的誤差如本工程忽略了桿端的剪力和彎矩，對(duì)于ZGJl-FG3和ZGJl-FC6的軸力過(guò)小，試驗(yàn)也沒(méi)有考慮加載；③建模參數(shù)存在差異 由于試驗(yàn)過(guò)程中人為的客觀影響因素很多，不可能完全和軟件模擬的條件、狀況相同。
經(jīng)過(guò)多次分析計(jì)算，在進(jìn)行有限元分析時(shí)，在管管交匯加勁肋處進(jìn)行約束最為有效，這樣既避免了沒(méi)有約束受力不平衡的問(wèn)題，也避免了在主管端部進(jìn)行約束容易造成管段局部應(yīng)力過(guò)大的問(wèn)題，不符合實(shí)際情況，這種約束方法可為他類似構(gòu)件的有限元分析提供參考。
