120m跨长江航道模型实验厅铸钢球节点受力 性能试验研究*
张旭巍
（长江航道规划设计研究院，潮北武汉430011）
[摘要】介绍了长江航道120m跨模型实验厅铸钢球节点试验，对铸钢球节点实施了足尺检验性加载试验并进行了有限元数值分析.试验过程中运用ABAQUS有限元软件对铸钢球节点进行弹性分析，对铸钢球节点的受力性能给出了更全面的评估.试验表明长江航道120m跨模型实验厅铸钢球节点是安全可靠的，节点具有充足的强度储备.
[关键词】钢结构：屋盖；铸钢球：节点：试验
[中图分类号】TU393.3[文献标识码]A
[文章编号〕1002-8498（2014）20-0068-07
TestingResearch onBearingCapacityof the CastSteelBall Jointsof120m-spanModel TestHall
lemnx bueuz
( Changjiang Wasrway Planning Designa and Research Intitate Wahan Habei 430011 China)
Abstract:The test of the cast steel ball joints of 120m-span model test hall was introduced and full-scale loading tests for the cast steel ball joints were pleted so as to the simulation by ABAQUS. Thebearing capacity supplied by experimental and simulation results with elastic analysis for cast steel balljoints was assessed prehensively. The test results show that the cast steel ball joints are reliable andsafe.
Key words;steel structures; roofs; cast steel ball; joints; testing
1工程概况
位于湖北武汉东西湖的长江航道6号模型实验厅长224m、宽120m，采用钢屋盖，跨度120m，张弦桁架结构.张弦桁架一端固定接于一侧混凝土 柱顶，另一端设置单向滑动支座支承于另一侧混凝土柱顶.两端张弦桁架支座处节点均采用铸钢球节点.
本工程共有铸钢节点32个，均为球形，每个铸钢球节点重约6t.设计的铸钢球节点如图1所示， 该节点为一个120m跨张弦桁架的下弦支座节点，该处同时为拉索错固节点.
图1铸钢球节点示意Fig.1 The cast steel ball joint
480mm，最小直径为245mm.节点地面投影长度约铸造与施工在目前国家规范上没有具体的验收标 为3000mm，宽度约为1500mm.鉴于铸钢球节点准，因此，铸钢球节点在批量制作以前，选择2个球形铸钢节点，按照设计受力的1.3倍进行节点试验.
铸钢球节点的三维实体如图2所示，其中单元4013和3917未显示.该铸钢球节点包含1个直径为1000mm、壁厚为100mm的空心球节点和连接在 该球节点上的9根圆截面杆件.最大杆件直径为
2试验概述
2.1试验目的
研究复杂应力状态下的模型大厅铸钢球节点性能，检验设计荷载水平下的节点安全性.
2.2试验内容
2.3试验要求
3铸钢球节点的设计、铸造
3.1材料模型
3.2建立有限元模型
图2铸钢球节点三维实体Fig.2 3D model of cast steel ball joint
通过选择合适的加载方案，在铸钢球节点关键杆件施加力，模拟铸钢球节点最不利工作状态.粘贴应变花，测量关键部位在复杂应力状态下的主应 力大小及分布特点，从面研究该铸钢球节点的受力性能.
铸钢球节点试验为足尺、检验性试验，试验节点数量为2个.试验加载装置应确保试验节点具有 与实际情况相似的约束条件和荷载作用.加载装置宜使加载值便于验证，且试验时不应发生非试验部位的损坏.试件上测点布置时应对应力数值较大及应力集中部位作重点监控.试验技术要求按《铸钢节点应用技术规程》CECS235：2008执行.
铸钢球节点材料为GS-20Mn5V，分析模型采用弹塑性双折线模型（见图3a），材料屈服强度为单元C3D4单元；铸钢球节点底座固接，锚固端仅约365MPa，正切模量根据《铸钢节点应用技术规程》取束轴向位移，其有限元模型如图4b所示. 弹性模量的5%；实验厅混凝土台座和剪力墙采用线性模型，混凝土等级为C40；试验反力架采用理想弹塑性模型（见图3b），钢材为Q345钢；连接螺栓采架及实验厅同时存在情况下的受力情况，荷载施加用45号钢，分析模型采用弹塑性双折线模型.
图3材料模型
Fig.3 Materials constitutive model
鉴于铸钢球节点在试验条件与实际结构中的形对节点受力产生的影响，有限元分析分别建立3，由计算结果可知，节点最大位移、最大应变以 组模型，即试验受力模型、设计受力模型和试验整及最大应力均发生在1522号单元端部，其中最大位体受力模型，对铸钢球节点受力进行了相应的模拟.移为1.06mm，最大应变为3.991×10"，最大应力
1）试验受力模型
记为模型a，主要模拟铸钢球节点在试验条件下的受力情况，荷载施加根据试验实际加载确定，轴力放大1.3倍；有限元模型采用实体单元C3D4单元（三维四节点单元）进行模拟，该单元适合曲面 网格的划分，计算速度快：铸钢球节点底座和锚固端均采用铰接固定约束，其有限元模型如图4a所示.
图4有限元模型Fig.4Finite element models
2）设计受力模型
况，荷载的施加根据实际情况确定，为与模型a比 记为模型b，主要模拟铸钢球节点设计受力情较，其轴力也相应放大1.3倍；有限元模型采用实体
3）试验整体受力模型
记为模型e，主要模拟铸钢球节点在试验反力根据试验加载确定，轴力放大1.3倍；铸钢球节点采用实体单元C3D4单元模拟，试验反力架采用实体单元C3D8R单元（三维八节点缩减积分单元）和 C3D4单元模拟，实验厅采用C3D8R单元模拟，反力架与实验厅的连接螺栓采用T3D2单元（三维二节点杆单元）模拟；铸钢球节点底座及锚固端与试验反力架支座共节点，变形一致，无相对滑动，试验反触进行连接，允许反力架与实验厅台座部分脱离； 力架底座与实验厅的台座采用部分共节点、部分接实验厅剪力墙四周采用固定约束，其有限元模型如图4c所示.
受力情况的差异，考虑到加载试验时反力架自身变3.3节点试验受力有限元模拟
为106MPa，远小于屈服应力365MPa，球节点内部无较大应力，都在50MPa以内，也无应力集中现象，整个节点都处于弹性状态，受力性能良好.
3.4节点设计受力有限元模拟
致，无明显区别，最大应力都分布在1522号单元的 计算结果表明模型a和b的应力分布基本一加载端，都在106MPa左右.
3.5铸钢球节点弹塑性有限元分析
1）有限元模型的建立
点四面体实体单元C3D10，网格划分采用自由网格 铸钢球节点的材料模型如前所述，单元为10节划分技术，并对倒角处网格进行加密处理.网格划分后单元数为150995个，节点数为240333个.建立StaticGeneral荷载分析步，考虑几何非线性的影响，荷载设置为8倍设计荷载.由于实际工程中铸 钢球节点底座端部支撑于混凝土柱上，故模型中对底座端部施加刚性位移约束.根据张弦桁架各种工况组合求得铸钢球节点最不利内力设计值，除预应力索锚固端荷载均匀加载于截面内环上以模拟螺母面积，荷载均按均布面荷载加载到节点杆件端 面上.铸钢球节点有限元模型如图5所示.
图5铸铜球节点有限元模型Fig.5Finite element model of the cast steel ball joint
2）初始届服荷载作用下有限元结果分析
按照等比例加载至4倍设计荷载时，节点最大应力达到初始屈服强度.1697号杆件与球形节点交汇倒角处已经进人塑性屈服强化阶段，应力最大值为382MPa左右.节点最大位移仍发生在1522 号杆件加载端部，最大位移为2.88mm，位移分布规律与设计荷载作用时相同，只是数值成比例增大.
3）极限荷载作用下有限元结果分析
考虑到1697号杆件锚固端进人屈服且塑性变形较大，是影响节点承载力的关键区域，故建立 1697号杆件端部截面局部坐标系，绘出截面上点沿径向的相对位移与荷载的关系曲线如图6所示，图中可以清楚地反映出1697号杆件截面塑性屈服全过程.
0~5段内为弹性受力阶段，在5~7.5段内为刚度 通过荷载-位移曲线可以看出，荷载比例因子在退化的非弹性受力阶段.
4试验仪器的准备
4.1加长钢管压缩模量标定
4.2位移计标定
图61697号杆件端部沿截面径向荷载-位移曲线Fig.6 Load and displacement curves of No.1697 rod ending
荷载由4倍增大至5.6倍设计荷载的过程中，1697号杆件锚固端和部分倒角处先后进人塑性屈服强化阶段，节点绝大部分区域仍处于弹性受力阶段，最大应力仍发生在1697号杆件锚固端与球形节点交汇倒角处，大小为432MPa.
7.2倍设计荷载作用下最大应力应变发生在1697号杆件锚固端加载区域，该区域内全部进人塑性强化阶段，应力值达到534MPa，有显著的累积塑性应变，节点因过度变形而破坏.随着塑性区的开展，1697号杆件锚固端与球形节点交汇倒角处应力重分布使得应力值降低，并未发生破坏.
根据试验方案要求，需要加长铸钢球节点1522单元、1595单元和1596单元的长度，为此焊接3根带端板的加长钢管.应变和轴力成正比的关系，将 每次的试验数据进行线性拟合，如图7所示.
Fig.7 Experimental data linear fitting 图7试验数据线性拟合
量.图7中的线性拟合得到的直线斜率即为EA，即 根据F=aA=EeA，其中，E是钢管的压缩模直线斜率k=EA.计算3次加载的压缩模量，取3次结果的平均值，可得钢管的压缩模量E=2.02x10'MPa
由于本试验有6个位移测点高度较高，加载过
4.3伺服仪压力传感器标定
4.4千斤顶标定
4.5反力架及节点的安装
程中人工读数较为困难，故该6点位移读数使用电子位移计.使用之前需要对6个位移计进行读数标定.计算应变仅读数和位移之间的对应关系可知：1mm，应变读数为-100μe. 位移计缩短1mm，应变读数为100ue，位移计伸长
1595，1596单元使用100t伺服仪加载.传感器标定先将传感器按照全桥电路连接到应变仪上，再使用压力机按照每10t（100kN）一级进行分级加载， 通过读取应变仪的应变大小即可得到每10t（100kN）所对应的应变数值.
对试验数据使用最小二乘法进行线性拟合，拟合结果如图8所示.由图8可知，直线斜率均在250左右，2个伺服仪的压力传感器标定结果非常接 近，为了计算方便，可以认为每250ue对应10t（100kN）的压力.
图8服仪压力传感器标定结果Fig.8The calibration results of servo gauge pressure sensor
试验之前需要标定千斤顶荷载大小与油泵读数的关系.将2个千斤顶安装就位到500t（5000kN）的压力机上，控制压力机压力大小即可得到千斤顶所需要的荷载大小，分级加载，读取每一级的油泵表盘读数.由图9的数据拟合结果可 知，表盘1MPa约对应千斤顶每10.412t（104.12kN）压力大小.
试验反力架是根据该试验加载要求专门为此次试验设计制作，反力架是工厂分段制作后试验现 场安装固定.
连接件的位置严格按照设计图纸安装固定，试
图9千斤顶标定数据拟合Fig.9 Jack calibrating data fitting
验反力架和连接件与实验厅台座及反力墙的连接均利用螺栓双面拧紧，并根据现场情况将连接件用植钢连接固定，防止其在荷载作用下的滑移.
试，精确定位节点与反力架的相对位置，利用支撑 试验节点吊装到反力架上以后，经过反复调将节点固定在指定位置，尽量减少装配误差，使试验能接近轴心加载.
4.6安全支撑的布置
为防止节点和反力架的移动，试验采用两边加斜撑到反力墙的方法，在千斤顶下方的接长管件上 和反力架顶梁两边中间处通过槽钢连至反力墙上的连接件.该槽钢作为刚性支撑防止节点的移动并保证反力架平面外的稳定.支撑连接一端为焊接连接，另一端为螺栓连接，方便其对位连接和安装卸载.
4.7试验加载装置的吊装及固定
试验所用2台320t千斤顶利用钢丝绳绑扎后悬挂于反力架横梁上，并于1522管端千斤顶四周各焊接4块小钢板，有效防止其滑动和脱落.伺服仪两端分别用螺栓连接于反力墙和节点加长的钢管 端板上，将其固定在加载轴线上，并分别用葫芦悬挂于刚性支撑槽钢上，这样可根据情况对伺服仪进行适当调整.
4.8应变片的粘贴
1）贴片原则
根据《铸钢节点应用技术规程》，测点布置时应对应力集中部位作重点监控，其他区域适当布点，且满足一定原则.
2）应变测点布置
的应力分布规律，并将试验结果与有限元计算结果 本次试验采用电阻应变片法，为了解铸钢节点相对照，应变测点主要根据有限元分析所得的节点受力特点布置.铸钢节点的应变测点具体布置如图10所示.
3）试验数据处理
由于同一时刻各加载点荷载的平均值与各点荷载的误差能够控制在±5%以内，因而以同一时刻
4.9位移计的布置及安装
4.10加载程序
图10应变测点布置Fig.10 Strain monitoring arrangement
各加载点所测荷载的平均值作为该时刻的荷载值，单位为N.应变花（见图11）所测应变的换算公式如下：
Fig.11 Strain gauge 图11应变花
Ee；应变花： 应变测点相应应力的计算公式为：应变片a=
试验过程中共采用10个位移计，其中6个为电子位移计，4个为数显位移计.通过位移计时刻监控各点的位移，保证试验的顺利进行.位移计的布 置如图12所示.
本试验通过2台320t千斤顶为1522管施加荷载525t（5250kN），利用油泵机通过三通器使2台千斤顶达到同时加载和卸载.试验通过2台100t伺 服仪为1595和1596号管各施加荷载70t（700kN），
图12位移计布置
Fig. 12 Displacement meter arrangement
利用氮气和控制台为2台伺服仪同时加载和卸载. 试验加载分为10级，每级加载10%，卸载分为5级，每级20%.试验加载步如表1所示.
表1试验加载步Table 1 Experimental loading steps kN
荷载类型 构件编号标准加载 一级 1522 525 1595 70 1596 70二级 1050 1575 140 140四级 三级 2 100 210 280 210 280六级 五级 3150 2 625 350 420 350 420七级 3 675 490 490八级 九圾 4 725 4200 560 0E9 560 630卸载 十级 一级 5250 1050 700 140 700 140二级 2100 280 280三级 四级 3150 4 200 420 560 560 420五级 5 250 700 700
4.11试验数据的采集
本试验由于数据较多，试验采用了应变箱、应门采集试验各级加载时的数据，为试验后期分析提 变仪、数显位移计、电子位移计等数据采集设备专供了依据.各仪器分别由专人负责观测控制并采集数据.整理工作时，第1次试验应变测量共用了2个采集箱：1个60测点的大应变箱和1个16测点应变箱. 的小应变箱.第2次试验采用了2个60测点的大
5试验数据分析
5.1 试验数据与有限元计算比较分析
型（即模型b）结果对应测点应力进行比较.对称测 将试验测点应力结果与铸钢节点设计受力模点平均应力具体比较如表2，3所示.
从表2 3可以看出，第1个节点除2和5，3和4 8和10，17号测点外，第2个节点除3和5，7和
