铸钢相贯节点的有限元分析和空间加载试验研究

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1、第七届全国现代结构丁程学术研讨会铸钢相贯节点的有限元分析和空间加载试验研究陈志华荣彬张亮陈永豪刘红波何彩云(大津★学建筑工程学院．天津300072)'摘要：髓着大跨度结构的发展，铸钢节点逐渐得到广泛地应用。本文结合某实际工程，对一个铸钢榍贯节点进行了有限元分析；并设计自平衡加载框架，进行空间加载试验。有限元分析结果和试验结果吻合较好，验证了该铸钢相贯节点在实际工程应用中的安全可靠性：掌握丁该铸钢相贯节点的受力性能。关键词：铸钢节点，有限元分析，自平衡加载框架，空间加载一，概述●随着现代空间结构的发展。结构跨度越来越大、形式越来越多、造型越来越复杂，结构中杆件与杆件的连接方式也

2、日趋多样化。常规节点已无法满足现代空间结构冉勺设计要求。节点构造的好坏对结构的传力性能、制作安装、工程造价等都有相当大的影响．因此对大跨度结构中受力大、构造复杂的节点选择合理的节点形式己成为空间结构发展的重要课题。．目前．铸钢节点以其构造简单、旖工方便且满足受力要求的连接方式，可以解决常规节点无法解决的问题等方面的优势．越来越受到工程界的关注⋯”1。随着铸造水平的提高，铸钢材料由于其具有良好的机械加工性能，适用于复杂多样的建筑造型，近年来得到了广泛推广。在大跨度空间结构中，对受力大、构造复杂的节点，特别是一些异形节点，采用铸钢连接，能够取得很好的技术、经济效益。t’本文针对某

3、实际工程中的铸钢相贯节点，进行了有限元分析，并进行空间加载试验验旺，对该铸钢相贯节点的实际受力性能进行了研究。二、铸钢相贯节点模型铸钢相贯节点是根据节点形式，将多根杆件的汇交处直接浇铸而形成，并在铸钢管相交处进行倒角处理，以弱化应力集中的影响”““。铸钢相贯节点的内腔，依据实际受力状态，可以浇铸成空心(为提高节点的强度和刚度，在节点内部可以设置铸铡加劲肋)，也可以浇铸成半空心半实心。考虑到铸铜节点自重和工程造价等多方面因素，在满足节点受力性能的条件下，通常采用空心铸钢节点。本文分析和试验研究的铸钢节点就属于空心铸钢相贯节点。具体节点模型和各铸钢管编号如图】所示。图1铸钢相贯节

4、点模型工业建筑2007增刊第七届全国现代结构工程学术研讨会铸钢相贯节点所用铸钢材料牌号为Gs一20‰5v．具体化学成分为(％)：c：0．17～0．23；si≤O60；Mn：1．0～1．5；P≤O．020：s≤0．015：cr≤O．30；Mo≤0．15；Ni≤0．40：AL≤O．02：机械性能为：屈服强度大于360MPa，抗拉强度大于500肝a，延伸率大于24％．’冲击功70J。铸钢节点的几何尺寸和实际应用中所受压力状况如表1所示铸钢管编号铸钢管内外径(衄)铸钢管长度(∞)铸钢管受力(kN)2273×2236203175Z3273×2236203394273×22339088．

5、6085273×223600172，2126273×223600．505567273×22344033804三、铸钢相贯节点有限元分析(一)单元选取，在铸钢相贯节点的有限元分析中，采用sOLIDl87单元模拟铸钢节点。由于铸钢相贯节点几何模型复杂”1，在此次分析中，采用通用cAM软件soLI脚ORKS建立铸钢节点的实体模型，再导入“sYs中进行有限元分析。s0LIDl87单元是10节点四面体单元，具有塑性、大变形和大应变性质，适用于cAhI软件导入模型的复杂网格划分。(二)材料属性铸钢相贯节点的材料属性设置如下：屈服强度为360N／m2；弹性模量为206000N／I皿2：泊松

6、比为0．3。(三)铸钢相贯节点等效应力分析结果依据表1中的各铸钢管实际受压状况，将轴压荷载分别施加于各铸钢管，进行有限元分析，得到空间加载状态下，铸钢节点的等效应力结果如图2所示。铸钢节点的最大等效应力为42．155N／mⅢ2。r图2铸钢相贯节点等效应力云图四、铸钢相贯节点空间加载试验(—)自平衡加载框架此次铸钢相贯节点加载试验，属于空间多角度加载，加载方向复杂。针对铸钢相贯节点的具体形式，设计并加工一套自平衡的封闭式加载框架，保证试验工作的正常开展。自平衡加载框架在以下两项原则的工业建筑2007增刊1135第七届全国现代结构]==程学术研讨会基础上进行设计：(1)自平衡加载

7、框架满足多角度空间加载的强度和刚度要求，加裁时构成自平衡受力体系，对试验台，座作用较小：“’(2)自平衡加载框架便于崮定，加数所用牛腿的类型少且设计简单。在铸钢相贯节点空间加载试验中．设计的自平衡加载框架如图3所示。／囹，图＼。掣蕊≤#顶千嗣摹N《气荔翕?×叉jr接长警＼圆／图3空间加载的自平衡加载框架(二)应变片布置位置参考有限元分析结果，此次铸钢相贯节点试验在等效应力最大处布置45。应变花，共计布置应变花12处；为保证轴心加载校核．另布置应变片12个。应变花布置位置如图4所示。7．4图4应变花布置位