铝合金单层网壳螺栓连接节点试验研究

第16卷第4期2014年8月V01．16No．4Aug．2014铝合金单层事口口立半，压网壳螺栓连接节点试验研究韦申1，杨联萍h2，张其林1，尹建3，欧阳元文3，宋克余3(1．同济大学土木 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院，上海200092；2．上海现代建筑 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 (集团)有限公司，上海200041；3．上海通正铝业工程技术有限公司，上海200949)摘要：铝合金单层网壳自重轻、耐腐蚀、易安装，在大跨空间结构体系中的应用越来越广泛。结构铝合金焊接性能较差，常用的节点连接形式为螺栓连接。为研究一种铝合金单层网壳螺栓连接节点的受力性能，进行了足尺节点的加载试验，研究了典型受力情况下节点的破坏模式、转动刚度和抗弯承载性能。试验结果表明，该节点在满足一定条件时可按刚接节点进行设计，节点的破坏模式为节点域内杆件下翼缘螺栓孔处削弱截面破坏。并建议在设计时应注意控制远离节点中心的最外排螺栓个数以保证下翼缘净截面面积。关键词：铝合金结构；单层网壳；螺栓连接节点；试验研究中图分类号：TU395，TU393．3文献标识码：A文章编号：16719379(2014)04004605AbstractKeVwordsAnExperimentalStudyonJointswithBolt—ConnectionsinSingle—LayerAluminumReticulatedShelIsWEJShenl，YANGLian—pin91⋯，ZHANGQi一／inl，yI』＼fJJan3。0UYANGYuan一℃ue斑3。SONGKe—yu3(1．CollegeofCivilEngineering，TongjiUniversity，Shanghai200092，China；2．ShanghaiXianDaiArchitecturalDesign(Group)Co．，Ltd．，Shanghai200041，China3．ShanghaiTongzhengAluminiumEngineeringCo．，Ltd．，Shanghai200949，China)WEIShen：weishen7857@163．CON[I近20年来，我国相继建成了十余座铝合金单层网壳结构，它们由于独特的建筑表现力和优异的结构适用性，往往成为当地的地标性建筑。结构铝合金材料的可焊接性能较差，故铝合金单层网壳结构主要采用机械连接形式的节点，现有的应用最广泛的典型节点为螺栓连接节点，亦称为“板式节点”(图1)。其形式是在中心交汇若干工字形截面杆件，于上、下翼缘处各设一块铝合金节点板，每根杆件通过螺栓将上、收稿日期：20131230；收到修改稿日期：20140311基金项目：上海市建交委资助项目(2013123635)作者简介：韦申(1987)，男，博士研究生，主要从事铝合金网壳节点及整体性能方面的研究。Email：weishen7857@163．COn]。杨联萍(1960)，女，教授级高工，主要从事钢结构理论与设计方法，索膜结构理论与设计，索杆结构体系设计方法，铝合金结构关键技术等方面的研究。展∽井一ni吼陶嘴，0结&∞钢&筑％弘建‰maodm的七一一幽一蜥一一|||l熊黑一眦咖汕_萋研m龀一一～～一!耋一一一一一一一一-霎叫诎_菱栅一_彗№一蛐一～一一删一慕篡瓣一一黧鬻三篡淼篆一⋯一一一一～一～一一一姚～一一蛳～荔熏黑一～一一一一一一一～一～～～一～一一一一一一一一一一一万方数据第4期铝合金单层网壳螺栓连接节点试验研究47下翼缘分别与上下节点板连接。我国已建成并投入使用的多座铝合金单层网壳均采用了该节点体系uo。铝合金单层网壳是由离散的杆件通过节点集成的结构系统乜o，节点不仅使构件连结在一起成为一个系统，同时还必须传力，节点的设计和构造直接影响内力传递和结构整体的可靠性，因此对节点的受力性能进行研究是十分必要的。图1铝合金单层网壳典型节点Fig．1ThetypicaljointfortheSLARSs针对铝合金单层网壳板式节点，我国学者和工程师进行了研究¨。70，但这些研究主要限于数值模拟及有限元分析，亦有学者自主设计了缩尺铝合金板式节点进行试验研究¨。9J，得到了部分结论。为进一步研究铝合金单层网壳板式节点的破坏机理、转动刚度和抗弯承载性能，本文进行了足尺节点的试验，以期获得对于板式节点受力性能的较为可靠的认识。1试验概况1．1节点试件设计为实现研究目的，设计了节点试件，试件的装配图如图2所示。节点板为直径510IilIil的圆形铝合金平板，板厚10IilIil。杆件采用工字形挤塑铝材，其截面尺寸为H450×200×8×10，节点域内每根杆件上、下翼缘各设置18颗螺栓，该节点共设置216颗螺栓。节点域内杆端构造详图如图3所示，螺栓孔中心间距及螺栓孔中心至构件边缘的距离均满足我国现行《铝合金结构设计规范》(GB504292007)u叫对最小容许距离的规定。图2节点装配图(单位：mm)Fig．2Assemblyofthetestjointspecimen(Unit：mm)图3节点域内杆端构造详图(单位：mm)Fig．3Designdetailsofthememberendwithinthejointzone(Unit：mm)1．2节点试件材料节点由铝合金杆件、铝合金节点板和不锈钢螺栓组成。杆件和节点板采用6061T6结构铝，经材性试验得到其极限抗拉强度厂。一318．7MPa，非比例延伸强度厂。一285．6MPa，弹性模量E一66550MPa；螺栓采用不锈钢材料，其极限抗拉强度为792MPa。1．3试验装置及加载 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 试验采用静力加载方法，加载装置如图4所示，使用油压千斤顶和门式反力架加载。由于工程应用中节点往往承受吊载，故试验中将竖向静力荷载施加于节点板中心，以模拟节点的弯剪受力状态。在梁端采用可约束端部扭转的夹支座，支座两侧有刚性圆杆夹住支承部位，该支座在保证梁可在主平面内自由转动的同时，亦可保证梁端自由弯曲和翘曲不受约束，还可保证梁端不发生扭转。梁中部设置平面外约束，防止试件出现侧向整体失稳。千斤顶图4加载装置Fig．4Testsetup加载过程中，首先进行预加载，荷载取理论承载力的lo％。预加载之后卸载，然后采用连续加载连续采集方案，通过控制千斤顶油压来控制加载速率，当监视应变读数显示构件已部分进入塑性后，尽量采用较小的加载速率，使塑性应变充分发展。万方数据48建筑钢结构进展第16卷1．4测点布置试件共布置了9个位移计，分别布置于上、下节点板，梁的1／4跨处下翼缘和支座处；68个单向应变片分别布置于杆件的上、下翼缘外表面，上、下节点板外表面，节1广S1S1点域范围内杆件上、下翼缘内表面；15个三向应变花分别布置于上、下节点板外表面和梁的1／4跨处杆件腹板1／2高度处。应变片和位移计的布置如图5所示。匕T15■T14-11上节点板外表面下节点板外表面图5测点布置图Fig．5Configurationofgaugingpoints2试验结果及讨论2．1节点破坏特征对节点进行连续加载直至达到极限荷载时听到一声巨响，随后不能继续加载，试验结束。此时观察试件整体有沿加载方向(竖直向下)的挠曲变形。节点域内东侧杆件端部下翼缘被拉断，破坏线沿螺栓连线，拉断处螺栓滑移明显，且翼缘破坏体与梁腹板明显拉脱，节点破坏形态如图6所示。由于试件可简化为两端简支梁模型(图7)，根据材料力学原理，越靠近加载部位弯矩越大，同时杆件还受到剪力作用。在弯矩作用下，杆件下翼缘受拉，故下翼缘受到较大的拉、剪共同作用，在被螺栓削弱后的薄弱截面破坏，且破坏面呈45。断裂。另外，根据螺栓连接的传力原理，相对于节点板中心来说，与下节点板相连接的最外排螺栓孔截面处拉应力最大，所以会出现图6所示的破坏形态。妒■妒篁一(a)杆件端部下翼缘断裂(b1破坏体与腹板脱离图6节点破坏形态Fig．6Failuremodesofthetestjoint2．2节点弯矩一转角曲线描述单层网壳节点力学性能的重要指标为弯矩转角曲线，其中弯矩和转角均可根据实测数据和试件几何参数求得。节点弯矩M可根据图7所示计算简图按式(1)求得：M一兰(生二望!(1)万方数据第4期铝合金单层网壳螺栓连接节点试验研究49式中：F为千斤顶施加于节点板中心的荷载(单位：kN)；L为试件两支座间距2812111111；D为节点板直径510111111。图7试件计算简图Fig．7Simplifiedcalculatingmodelofthespecimen取半结构进行分析，如图8所示。节点位移包括节点域转动引起的位移和杆件自身挠曲变形引起的位移，节点转角臼可使用下式进行近似计算：臼一arctan(急)≈岛㈤占一Af2(3)占一舀+晚(4)&一型挈一掣㈤仁———等窭图8节点位移简图Fig．8Simplifiedmodelofjointdisplacement联立式(2)～式(5)，可得节点转角：臼≈L2D『^^堡紫](6)臼≈。^^!÷螽产(6)式中：占为节点相对位移(单位：mm)；A为节点实测位移(单位：ram)；^为支座实测沉降位移(单位：ram)；国为节点域转动引起的位移(单位：mm)；晓为杆件自身挠曲变形引起的位移(单位：mm)，E为杆件铝合金材料的弹性模量(单位：MPa)；杆件截面惯性矩Ib一2．466×108mm4。图9为节点在弯矩和剪力共同作用下的弯矩转角曲线，图中纵轴为节点板边缘处弯矩M，横轴为节点转角臼。在加载过程的初期(M<50kN·m)，曲线有一定的非线性特征，可认为是螺栓杆与螺栓孔壁之间的空隙逐渐闭合，螺栓杆与螺栓孔壁之间开始稳定传递荷载的原因，但该段较短且对整体趋势影响较小，故将该段也近似归入线性段；加载中期(50kN·m<M<150kN·m)曲线呈现明显的线性特征，且该阶段较长；继续加载(M>150kN·m)曲线开始呈现非线性特性。进入非线性段之后，曲线斜率变小，趋于平缓，说明节点转动能力有所增加，同时节点延性提高。取弯矩转角曲线的首个峰值舰一213．8kN·Iil为节点的极限抗弯承载力。250尥200主150埭100静504曰。，：：：锄矗／。∥CfO．0105．153)／7一+线性段，夕7／／，。。／，。÷／，’00．0050．0100．0150．020转角／rad图9节点弯矩一转角曲线Fig．9M-0curveofthejoint2．3节点刚度近似取图9中弯矩转角曲线的弹性段OC的割线斜率作为节点的初始刚度：K。。。一掣≈黑一14571(kN．m)．rad(kN·Kwnt一万≈矿了丽一‘mJ‘。a图9中折线OAB为根据实测弯矩转角曲线提出的建议简化节点弯矩转角双线性模型。我国规范u刈规定球面网壳矢跨比不宜小于1／7，跨度(平面直径)不宜大于80m。选取跨度为40m，矢跨比分别为1／3、1／4、1／5、1／6和1／7的凯威特型单层球面网壳为例，采用文献[12]提出的一种网壳节点新型分类方法确定节点的刚度分类。该方法综合考虑了节点转动能力、抗弯承载能力和结构整体承载性能以界定节点刚度。当结构整体承载力大于等于完全刚接节点结构整体承载力的90％时，可认为节点刚接；当结构整体承载力小于完全刚接节点结构整体承载力的90％，且大于等于完全刚接节点结构整体承载力的30％时，可认为节点半刚接。定义“一言等}，其中杆件计算长度L一(LD)／2；定义卢一茅，其中杆件塑性抗弯承载力峨一^。·w。一285．6×1．25—357kN·Iil。W。为杆件截面的强轴塑性抵j万方数据50建筑钢结构进展第16卷抗矩。根据上述定义，该节点“一14571／14258—1．02，卢一213．8／357—0．6。对40Iil跨度、矢跨比为1／3～]／6的凯威特型单层球面网壳，有a>0．5且9>0．2时，节点属于刚性节点；对40i"-11跨度、矢跨比为1／7的凯威特型单层球面网壳，有0．05<“<3且p>o．3时，节点属于半刚性节点。3结论和展望采用足尺试验结合理论分析的方法，对铝合金单层网壳螺栓连接节点的受力性能进行了初步研究，得到以下主要结论：(1)在受到节点集中荷载作用时。节点的破坏模式为节点域内杆件下翼缘螺栓孔处削弱截面破坏，针对该破坏模式，在设计时应注意控制远离节点中心的最外排螺栓个数以保证下翼缘净截面面积。(2)基于试验数据得到了该节点的弯矩转角曲线，并提出了建议的简化节点弯矩转角双线性模型。该模型将用于网壳整体稳定分析，可在一定程度上节省计算需求，但其模拟精度有待验证。(3)根据一种网壳节点新型分类方法，对40m跨度的凯威特型单层球面网壳，当矢跨比为1／3～]／6时，可认为该节点属于刚性节点，网壳整体承载力大于等于完全刚接节点结构整体承载力的90％；当矢跨比为1／7时，节点属于半刚性节点。但单层网壳节点同时受轴力作用，所以对于不同跨度和不同网格形式的其它多种单层网壳，考虑轴力作用影响的节点刚度界定 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 仍有待深入研究。(4)我国规范u刈规定单层网壳应采用刚接节点，意味着对单层网壳进行整体分析计算时杆件必须采用梁单元而不能采用铰接杆件体系的杆单元u⋯，但国内外针对半刚性节点的研究和应用越来越深入和广泛，在此背景下，针对铝合金单层网壳螺栓连接节点半刚性的研究应进一步深入，以更好地满足设计需求，促进工程应用。参考文献：[1]杨联萍，韦申，张其林．铝合金空间网格结构研究现状及关键问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 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