箱形鋼梁雙銷(xiāo)軸連接承載性能分析

季 躍

(同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司，上海200092)

1 引言

隨著鋼結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用，大型箱形鋼梁越來(lái)越多地應(yīng)用在實(shí)際工程中，特別是應(yīng)用在大型結(jié)構(gòu)安裝施工的臨時(shí)結(jié)構(gòu)中。工程中的大型鋼箱梁常采用工廠分段制作、施工現(xiàn)場(chǎng)拼裝的施工方法[1，2]。目前，鋼箱梁現(xiàn)場(chǎng)拼裝的傳統(tǒng)方法主要有高強(qiáng)螺栓連接、焊接連接和栓焊混合連接。若采用焊接拼接，在長(zhǎng)期動(dòng)荷載作用下焊接處易產(chǎn)生疲勞裂紋;若采用高強(qiáng)度螺栓拼接，當(dāng)梁截面較大時(shí)，螺栓數(shù)量多，連接件凈截面削弱較大，且螺栓受力不均，造價(jià)也高，同時(shí)制孔精度難以保證。此外，這兩種傳統(tǒng)連接方法均不能重復(fù)拆裝，不適于施工用結(jié)構(gòu)[3，4]。

針對(duì)鋼梁拼接節(jié)點(diǎn)可拆裝的要求以及目前拼接方式不足的問(wèn)題，并結(jié)合施工企業(yè)的需要，本文參照國(guó)內(nèi)外橋梁及機(jī)械結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接中采用的銷(xiāo)軸拼接方法，將雙銷(xiāo)軸連接應(yīng)用于建筑鋼結(jié)構(gòu)特別是施工用可拆卸鋼梁的拼接節(jié)點(diǎn)，形成一種新的建筑結(jié)構(gòu)鋼梁連接方式[5]。目前，這種銷(xiāo)軸拼接的方法，除橋梁結(jié)構(gòu)和機(jī)械工程外，國(guó)內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)中尚未對(duì)此進(jìn)行深入的理論分析與應(yīng)用研究[6，7]。

圖1 梁段1示意圖Fig.1 Schematic diagram of beam section 1

圖2 梁段2示意圖Fig.2 Schematic diagram of beam section 2

本文根據(jù)合作企業(yè)實(shí)際工程需要，參照國(guó)外相關(guān)資料及橋梁結(jié)構(gòu)，構(gòu)造出了一種新型箱形鋼梁雙銷(xiāo)軸拼接節(jié)點(diǎn)形式，該拼接節(jié)點(diǎn)具體構(gòu)造為:截面為3 200 mm ×1 500 mm×30 mm×40 mm的鋼梁上部通過(guò)厚30 mm的封頭端板頂緊并采用10.9級(jí)M48高強(qiáng)螺栓連接;截面下部通過(guò)兩根銷(xiāo)軸插入梁段交界處的耳板連接，其中梁段1的四塊耳板厚度為80 mm，梁段2的兩塊耳板厚度為160 mm。銷(xiāo)軸為上下布置，兩根銷(xiāo)軸自上而下的直徑分別為230 mm、260 mm，銷(xiāo)軸間距為900 mm，上銷(xiāo)軸中心距梁中心650 mm，銷(xiāo)軸材料為40Cr，其他鋼板均為Q345。該拼接節(jié)點(diǎn)的具體構(gòu)造如圖1、圖2所示，鋼梁拼接節(jié)點(diǎn)區(qū)域如圖3所示。

圖3 箱形梁拼接節(jié)點(diǎn)圖Fig.3 Diagram of pin connection of steel-box girders

2 雙銷(xiāo)軸節(jié)點(diǎn)受彎極限承載力理論分析

本文理論分析假設(shè)梁截面符合以下假定:梁截面材料受力性能各向同性;材料為理想彈塑性，不考慮應(yīng)變硬化;變形前后符合平截面假定;不發(fā)生局部屈曲。

2.1 銷(xiāo)軸連接的極限狀態(tài)

鋼梁在彎矩作用下，拼接節(jié)點(diǎn)截面常見(jiàn)的失效現(xiàn)象有:截面下部受拉，達(dá)到極限荷載時(shí)，耳板銷(xiāo)軸孔壁塑性變形常較小，此處易造成突然破壞或脆性破壞;而截面上部受壓，由于常設(shè)有加勁肋，不易局部失穩(wěn)，節(jié)點(diǎn)破壞前常表現(xiàn)為較大的塑性變形;節(jié)點(diǎn)耳板兩側(cè)有加強(qiáng)貼板，耳板的凈截面破壞和平面外失穩(wěn)發(fā)生概率較小，而孔壁承壓破壞和銷(xiāo)軸的彎曲剪切破壞易先出現(xiàn)。在以上失效現(xiàn)象中，最易出現(xiàn)的是耳板孔壁塑性變形[8，9]。

基于以上現(xiàn)象，本文采用圖4所示銷(xiāo)軸孔壁壓應(yīng)力分布模式即孔壁壓應(yīng)力沿孔壁圓弧變化模式，分析節(jié)點(diǎn)耳板承載性能。假設(shè)半徑為R的圓弧上任一點(diǎn)與銷(xiāo)軸圓心連線L1和變形后銷(xiāo)軸圓心與耳板孔圓心連線L2的夾角為θ，則在該圓弧點(diǎn)上的孔壁壓應(yīng)力為式中，R0為孔壁初始半徑;R為變形后孔壁半徑;q為孔壁承壓極限應(yīng)力。

圖4 本文孔壁承壓應(yīng)力圖Fig.4 Bearing strength stress in this paper

假定R0=R，由此，可得出孔壁承壓極限狀態(tài)時(shí)的銷(xiāo)軸剪力F為

2.2 雙銷(xiāo)軸應(yīng)力關(guān)系

當(dāng)拼接節(jié)點(diǎn)采用上下雙銷(xiāo)軸時(shí)，上下銷(xiāo)軸不會(huì)同時(shí)進(jìn)入極限狀態(tài)。由于梁截面剛度較大，根據(jù)平截面假定，若梁受彎后截面轉(zhuǎn)角為θ，則上、下銷(xiāo)軸的應(yīng)變關(guān)系為

式中，l1和l2分別為下銷(xiāo)軸和上銷(xiāo)軸到中和軸的距離。

2.3 雙銷(xiāo)軸節(jié)點(diǎn)的極限承載力公式

由于假定鋼梁材料為理想彈塑性，所以，截面受壓部分達(dá)到極限荷載時(shí)，可認(rèn)為截面該部分壓應(yīng)力為均勻分布。對(duì)于銷(xiāo)軸連接的梁，假定當(dāng)銷(xiāo)軸孔壁進(jìn)入極限狀態(tài)時(shí)，腹板上部同時(shí)達(dá)到屈服狀態(tài)，則銷(xiāo)軸拼接節(jié)點(diǎn)的梁截面可能出現(xiàn)的極限狀態(tài)如圖5所示，分別對(duì)應(yīng)于中和軸未上移時(shí)受壓破壞、中和軸上移后銷(xiāo)軸破壞、中和軸上移后受壓破壞。

圖5 銷(xiāo)軸節(jié)點(diǎn)極限狀態(tài)Fig.5 The limit state of pin connection

根據(jù)圖5所示的簡(jiǎn)化計(jì)算簡(jiǎn)圖，分別考慮軸向力平衡和力矩平衡條件，可得到鋼箱梁銷(xiāo)軸連接受彎極限承載力的簡(jiǎn)化計(jì)算基本公式為

式中，F(xiàn)1和F2分別為下銷(xiāo)軸和上銷(xiāo)軸的抗剪承載力;l1和l2分別為下、上銷(xiāo)軸等效集中荷載到截面中和軸的距離;σc為截面受壓區(qū)平均壓應(yīng)力;φ為下、上銷(xiāo)軸直徑比;y為受壓區(qū)等效集中力作用點(diǎn)距中和軸距離。

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根據(jù)式(3)，可計(jì)算得到本文構(gòu)造節(jié)點(diǎn)的極限彎矩為93 982 kN·m，節(jié)點(diǎn)極限狀態(tài)為銷(xiāo)軸孔壁破壞，且截面受壓區(qū)也部分進(jìn)入塑性，較充分地利用了材料。

3 雙銷(xiāo)軸節(jié)點(diǎn)受彎極限承載力有限元分析

3.1 節(jié)點(diǎn)有限元模型

本文應(yīng)用ANSYS有限元軟件對(duì)銷(xiāo)軸節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元數(shù)值分析。由于鋼箱梁受彎時(shí)，上部截面受壓，高強(qiáng)螺栓無(wú)作用，所以，有限元計(jì)算模型忽略高強(qiáng)螺栓。節(jié)點(diǎn)鋼板材料為Q345鋼，屈服強(qiáng)度為 345 MPa，彈性模量為 2.06 ×105MPa，采用理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系。

考慮節(jié)點(diǎn)的實(shí)際受力狀態(tài)，有限元模型的荷載和約束如圖6所示，具體約束條件如表1所示。鋼箱梁兩端為鉸接，荷載為均布荷載(1.2 kN/m)施加于梁上翼緣。

圖6 有限元模型的荷載和約束示意圖Fig.6 Schematic diagram of load and constraint of finite element model

節(jié)點(diǎn)板件采用ANSYS中Solid186單元模擬，耳板與銷(xiāo)軸之間的相互作用采用接觸單元模擬，其中銷(xiāo)軸接觸面采用Conta174單元模擬，耳板接觸面采用Targe170單元模擬。

3.2 節(jié)點(diǎn)有限元數(shù)值分析結(jié)果

數(shù)值分析結(jié)果如圖7—圖9所示。當(dāng)荷載達(dá)16倍設(shè)計(jì)荷載(1.2 kN/m)時(shí)，節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)如圖7所示。梁段1、2截面的受壓邊緣仍然處于彈性，最大應(yīng)力接近屈服應(yīng)力。下銷(xiāo)軸節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，最大應(yīng)力達(dá)屈服應(yīng)力，上銷(xiāo)軸節(jié)點(diǎn)由于受力較小處于彈性，最大應(yīng)力為240.6 MPa。此時(shí)銷(xiāo)軸節(jié)點(diǎn)部分進(jìn)入塑性，截面受壓翼緣接近屈服。

荷載達(dá)19.5倍設(shè)計(jì)荷載時(shí)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)如圖8所示。此時(shí)下銷(xiāo)軸節(jié)點(diǎn)較大區(qū)域屈服，塑性變形增大，截面有微小的轉(zhuǎn)角，使得原先貼合的部分受壓區(qū)板件脫開(kāi)，受壓區(qū)減少，中和軸明顯上移。

荷載達(dá)22.5倍設(shè)計(jì)荷載時(shí)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)如圖9所示。上銷(xiāo)軸節(jié)點(diǎn)有較少部分進(jìn)入塑性，而下銷(xiāo)軸節(jié)點(diǎn)大部分進(jìn)入塑性，截面受壓板件也部分進(jìn)入了塑性，所以，認(rèn)為銷(xiāo)軸節(jié)點(diǎn)進(jìn)入極限狀態(tài)，即整個(gè)拼接節(jié)點(diǎn)達(dá)到極限受力狀態(tài)。

圖7 16倍設(shè)計(jì)荷載時(shí)鋼箱梁節(jié)點(diǎn)各構(gòu)件應(yīng)力圖Fig.7 Stress figure of each connection component when 16 times design load

圖8 19.5倍設(shè)計(jì)荷載時(shí)鋼箱梁節(jié)點(diǎn)各構(gòu)件應(yīng)力圖Fig.8 Stress figure of each connection component when 19.5 times design load

圖9 22.5倍設(shè)計(jì)荷載時(shí)鋼箱梁節(jié)點(diǎn)各構(gòu)件應(yīng)力圖Fig.9 Stress figure of each connection component when 22.5 times design load

從上述分析結(jié)果可看出，該節(jié)點(diǎn)在銷(xiāo)軸節(jié)點(diǎn)整體進(jìn)入塑性時(shí)，截面受壓區(qū)也部分達(dá)到塑性，因此，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)安全合理。

有限元數(shù)值計(jì)算得到的節(jié)點(diǎn)極限承載力為22.5倍的設(shè)計(jì)荷載，而設(shè)計(jì)荷載下節(jié)點(diǎn)處彎矩M0=4 320 kN·m，所以，數(shù)值計(jì)算得到的節(jié)點(diǎn)極限彎矩Mu=95 040 kN·m。通過(guò)本文簡(jiǎn)化計(jì)算公式求得的節(jié)點(diǎn)極限彎矩Mu=93 982 kN·m。兩者之間的誤差3.3%，且簡(jiǎn)化計(jì)算公式較為保守。計(jì)算結(jié)果比較說(shuō)明，本文簡(jiǎn)化計(jì)算公式較為準(zhǔn)確可行。

4 結(jié)論

本文根據(jù)合作企業(yè)需要，參照橋梁及機(jī)械結(jié)構(gòu)的連接方式，構(gòu)造出了用于建筑結(jié)構(gòu)鋼梁拼接的雙銷(xiāo)軸節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而提出了雙銷(xiāo)軸節(jié)點(diǎn)極限承載力簡(jiǎn)化計(jì)算公式，通過(guò)理論分析和數(shù)值計(jì)算比較研究，得到的結(jié)論如下:

(1)本文構(gòu)造的雙銷(xiāo)軸節(jié)點(diǎn)，適用于鋼梁特別是可拆卸鋼梁的拼接。

(2)針對(duì)銷(xiāo)軸節(jié)點(diǎn)，本文提出的雙銷(xiāo)軸節(jié)點(diǎn)承載力簡(jiǎn)化計(jì)算公式正確有效。

(3)采用簡(jiǎn)化公式計(jì)算本文構(gòu)造的雙銷(xiāo)軸節(jié)點(diǎn)的彎矩極限承載力為93 982 kN·m，通過(guò)ANSYS有限元模擬，得到節(jié)點(diǎn)的極限承載力為95 040 kN·m，與簡(jiǎn)化計(jì)算誤差為3.3%。

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