南昌西站Y型鑄鋼節(jié)點靜力性能試驗研究

王夢磊， 周 安， 史 綱， 劉向華

（1.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009；2.安徽土木工程結構與材料省級實驗室，安徽 合肥 230009；3.中鐵四局鋼結構有限公司，安徽 合肥 230022）

鑄鋼節(jié)點由于其整體性好、強度高、適用范圍廣等優(yōu)點，在近幾年越來越好地應用于工程界［1］。專家學者對不同種類的鑄鋼節(jié)點進行了大量的研究，文獻［2］對廣州國際會展中心鑄鋼節(jié)點進行了有限元分析和試驗；文獻［3］對黃金樹節(jié)點進行了受力性能研究分析；文獻［4］對T型鑄鋼節(jié)點進行了不同參數(shù)分析；文獻［5］對徐州火車站張弦桁架KK型鑄鋼相貫節(jié)點進行了研究；文獻［6］對板式鑄鋼節(jié)點靜力性能進行了研究。盡管各專家學者都對鑄鋼節(jié)點進行了大量的研究，我國也在2008年頒布了鑄鋼節(jié)點規(guī)范，但由于其外形的多樣性、受力的復雜性等特點，規(guī)范較難對各種類型節(jié)點做統(tǒng)一規(guī)定。鑒于此，進一步開展對形狀各異、受力復雜的鑄鋼節(jié)點進行研究，既能對規(guī)范提供補充，也能為將來節(jié)點的設計、制造、檢驗等提供參考。

1 工程概況與試件構造

南昌西客站又稱南昌西站，是一個集鐵路、地鐵和市政交通設施于一體的大型綜合交通樞紐?？傄?guī)模為16臺30線，其中高速場10臺19線，綜合場6臺11線，高速場和綜合場均擁有側式站臺各1個，站房總建筑面積約24×104m2。站臺雨棚主體結構為倒“△”形管桁架形式，其中桁架梁與鋼立柱交匯處通過鑄鋼節(jié)點連接，如圖1所示。由圖1可知，節(jié)點支撐著整個鋼網(wǎng)架，且節(jié)點材質均勻與否未知，受荷狀態(tài)比較復雜，為了了解節(jié)點工作狀態(tài)，參照規(guī)范要求，本文對節(jié)點進行足尺模型試驗。

圖1 鋼網(wǎng)架立面圖

由圖1可知，Y型節(jié)點支管與桁架下弦相連，主管固定于鋼管混凝土柱上。節(jié)點具體構造及外形如圖2所示，整個鑄鋼節(jié)點主要由主管和支管2個部分組成，其中在支管相交中心部位有圓形雨水管，2個支管中心對稱。

圖2 Y型鑄鋼節(jié)點

鑄鋼節(jié)點主要尺寸為：外輪廓1 312mm×1 100mm（高×寬），主管最大內(nèi)、外徑分別為503mm和550mm，厚度為55mm，支管內(nèi)、外徑分別為200mm和250mm，環(huán)形加勁板厚度為60mm，2個支管交角為77°，各截面之間倒角從R30～R200不等。鑄鋼節(jié)點材料選用文獻［7］中的GS－20Mn5V調質，其化學成分與機械性能見表1、表2所列。

表1 鑄鋼材料主要化學成分 %

表2 鑄鋼材料機械性能

2 試驗荷載及裝置

2.1 試驗荷載

文獻［8］規(guī)定鑄鋼節(jié)點試驗荷載不應小于設計荷載的1.3倍，支管設計荷載如下：受壓荷載為－2 400kN，面內(nèi)彎矩為175kN·m、面外彎矩490kN·m。

節(jié)點試驗分為3個工況：工況1，為預加載工況，最終荷載達到試驗荷載的1／2；工況2，為正式加載工況，最終荷載達到試驗荷載；工況3，為卸載工況，最終荷載減至0。

各工況設置情況見表3所列。

表3 試驗荷載工況

2.2 反力架裝置

根據(jù)鑄鋼節(jié)點的受力特點及構造尺寸設計鑄鋼節(jié)點的自平衡反力架如圖3a所示。整個反力架成棱柱形，分為上、中、下3層，平面形狀為等腰三角形，外輪廓尺寸為5 592mm×5 592mm×5 745mm×3 100mm，主要采用Q345B鋼材，根部均錨固于混凝土地面，節(jié)點水平放置，主管端部固定于反力架。為方便在節(jié)點上施加彎矩，試驗采用2個剛度足夠大的T梁作為介質施加荷載，如圖3b所示。支管使用千斤頂1施加軸向壓力，千斤頂2施加等效彎矩Mx，千斤頂3及千斤頂4組成力偶施加等效彎矩My。

圖3 自平衡反力架

2.3 測點布置

參照初步有限元分析結果，支管端部周邊、支管與主管相交處、2個支管和雨水管相交處為應力復雜區(qū)域，試驗中主要在這些部位布置測點。但鑒于反力架內(nèi)部操作空間的局限性，部分測點無法直接布置在峰值應力處，只在峰值附近區(qū)域設置測點。應變數(shù)據(jù)均通過三向應變花進行采集，節(jié)點共布置24個應變測點，測點位置如圖4所示。

圖4 應變測點布置圖

3 數(shù)值模擬和有限元對比分析

3.1 屈服準則

工程上常用的屈服準則有5種，分別為Tresca準則、Von Mises準則 、Mohr－Coulomb準則、Drucker－Prager準則及 Zienkiewicz－Pande準則。前2種主要適用于金屬材料，后3種主要適用于混凝土及巖土材料。Tresca屈服準則沒有考慮中間應力的影響，使用不便；而Von Mises屈服準則考慮了中間應力的影響，使用方便。Von Mises準則的表達式如下：

其中，σx、σy、σz為測點x、y、z方向的正應力；τxy、τyz、τzx為測點x、y、z方向的剪應力。

由（1）式可以看出，只有在6個應力分量都已知的情況下，才能得到測點的Mises應力值。但應變花只能夠采集到平面內(nèi)的3個應力分量，無法求解。由文獻［9］知，工作中的鑄鋼節(jié)點雖然沿壁厚有一定的應力分量，但其對整體計算結果影響不大，故可以采用簡化的Von Mises［10］公式進行計算，該公式為：

其中，ε1、ε2、ε3為應變花所測得應變；σ1、σ2為測點第一、二主應力；fy為屈服強度；ν為泊松比，取0.27。

3.2 有限元分析

3.2.1 有限元分析結果

運用大型通用有限元軟件Workbench對Y型鑄鋼節(jié)點進行數(shù)值模擬。采用導入三維CAD實體模型的方法完成節(jié)點主要建模過程。模型中Y型節(jié)點單元選用solid187，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.27。試驗結果采用等效Mises應力表示，Y型鑄鋼節(jié)點在工況2下的Von Mises應力云圖和整體位移圖如圖5所示。

圖5 工況2下節(jié)點Von Mises應力及位移圖

有限元模擬結果顯示，南昌西站Y型鑄鋼節(jié)點在試驗荷載作用下，最大Mises應力值為232MPa，位于支管與主管相交處，同時支管端部處應力也達到200MPa，其余部位應力值相對較低。

3.2.2 試驗數(shù)據(jù)處理及對比

部分測點的折算Mises應力如圖6所示。

圖6 部分測點的Mises應力

由圖6可知，Mises應力曲線變化基本光滑，沒有出現(xiàn)應力值過大的現(xiàn)象，表明節(jié)點仍在彈性范圍內(nèi)工作。試驗最大折算Mises應力達到223MPa，對應測點理論數(shù)值則為232MPa，相差3.4%。理論值與試驗值對比見表4所列，由表4可知，試驗結果均在理論分析范圍之內(nèi)，試驗效果良好，同時也從反面驗證了ANSYS－Workbench模擬結果的合理性。

表4 工況2下部分節(jié)點Mises應力試驗值與計算值

4 雨水管及彎矩對節(jié)點影響

4.1 極限荷載下雨水管對節(jié)點承載力的影響

南昌西站Y型鑄鋼節(jié)點在小管相交處存在雨水管，直徑為180mm。對比雨水管存在與否對節(jié)點受力性能的影響，分析所得節(jié)點的極限Von Mises應力云圖如圖7、圖8所示。

圖7 有雨水管時節(jié)點極限承載力及應力云圖

圖8 無雨水管時節(jié)點極限承載力及應力云圖

由圖7、圖8可知，有、無雨水管節(jié)點的極限承載力分別為設計荷載的4.7倍和4.8倍，節(jié)點應力分布及位移分布相差都不大，表明雨水管的存在并未對Y型鑄鋼節(jié)點受力產(chǎn)生過大影響。

4.2 彎矩對節(jié)點極限軸力的影響

南昌西站Y型鑄鋼節(jié)點存在較大的彎矩，面內(nèi)和面外設計彎矩分別達到175kN·m和490kN·m，過大的彎矩也可能對節(jié)點的應力分布和極限軸力產(chǎn)生影響。本文利用Workbench軟件分析彎矩對節(jié)點極限軸向力的影響，分析方法為：保持軸向力不變，把試驗彎矩分成5級加載，分別利用非線性有限元法計算每組荷載下所對應的極限軸向力，見表5所列。其中，1組只有軸力，2～6組包含軸向力和彎矩；Nz、Mx、My分別為節(jié)點承受的軸力、面內(nèi)彎矩和面外彎矩；NS為節(jié)點的極限軸力。

表5 各組荷載下所對應的極限軸力

由表6可知，在保持初始軸力不變的情況下，隨著節(jié)點初始彎矩從0增加到設計彎矩，節(jié)點的極限軸力從30 960kN減小到11 220kN，分別是初始軸力的12.9倍和4.7倍，極限軸力的變化比較明顯，可以得出彎矩對節(jié)點極限軸力的影響比較大。

5 結 論

本文通過對南昌西站Y型鑄鋼節(jié)點進行試驗研究及理論數(shù)值模擬，分析節(jié)點中彎矩及雨水管的存在對其影響，可得出如下結論：

（1）南昌西站Y型鑄鋼節(jié)點在規(guī)程規(guī)定的試驗荷載作用下，仍具有較高的后續(xù)工作能力，滿足規(guī)范要求。

（2）南昌西站Y型鑄鋼節(jié)點雨水管處在受力較小位置，不會對節(jié)點受力產(chǎn)生太大影響。

（3）彎矩對節(jié)點的極限軸力影響比較大。在進行節(jié)點設計時，應考慮該因素。

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