1、.2 0 1 4 年 9 月第 30 卷 第 5 期沈 陽 建 筑 大 學 學 報 ( 自 然 科 學 版 )Journal of Shenyang Jianzhu University ( Natural Science)Sep2014Vol 30 ，No 5*;文章編號: 2095 1922( 2014) 05 0769 09doi: 10 11717 / j issn: 2095 1922 2014 05 01鋁合金網殼結構盤式節點受力性能試驗王元清1 ，柳曉晨1 ，石永久1 ，尹建2 ，歐陽元文2( 1 清華大學土木工程安全與耐久教育部重點實驗室，北京 100084;2 上海通正鋁業工

2、程技術有限公司，上海 200949)摘 要: 目的 研究鋁合金盤式節點的抗彎剛度和強度性能，分析盤式節點的受力機 理和破壞模態，獲取盤式節點在純彎受力狀態下的彎矩 轉角曲線及關鍵部位的應 變狀態和變形情況 方法 對 3 種不同尺寸的鋁合金盤式節點試件進行靜力加載試 驗，結合通用有限元程序 ABAQUS 對加載過程進行有限元模擬 靜力加載試驗將試 件端部連梁簡支，對節點區中心豎向加載，并利用應變片和位移計測量試件關鍵部位 的應變狀態和變形情況 結果 鋁合金盤式節點平面外的抗彎剛度較大，節點延性不 高 連梁下翼緣螺栓孔處截面是節點的薄弱部位，破壞形式為脆性斷裂破壞，破壞前 無明顯征兆 結論 有限元

3、模型可以較為準確地模擬試驗過程，模擬結果與試驗結果 吻合較好關鍵詞: 鋁合金網殼; 盤式節點; 靜力試驗; 受彎性能; 有限元分析中圖分類號: TU395文獻標志碼: AExperimental Study on Mechanical Performance of TEMCO Joints in Aluminum Alloy Shell StructuresWANG Yuanqing1 ，LIU Xiaochen1 ，SHI Yongjiu1 ，YIN Jian2 ，OUYANG Yuanwen2( 1 Key Lab of Civil Eng Safety and Durability of

4、 China Education Ministry，Tsinghua University，Beijing，China， 100084; 2 Shanghai Tongzheng Aluminum Industry LTD ，Shanghai，China，200949)Abstract: In order to study the mechanical behavior，flexure rigidity，flexure strength and failure mode of TEMCO joints used in aluminum alloy shell structures，experi

5、ments on TEMCO joints with 3 different dimensions under static load were conducted A simply supported beam connected by a TEMCO joint with a vertical applied load at the center of the joint region was tested Strain gages and displacement meters were used to measure the stresses and strains at a key

6、position With the help of software ABAQUS，a finite element model was built to simulate the loading process收稿日期: 2014 05 20基金項目: 國家十二五科技支撐計劃項目 ( 2012BAJ16B05 ) ; 高 等學校博士學科點專項科研基金 ( 20110002130002)作者簡介: 王元清( 1963) ，男，教授，博士，主要從事鋼結構研究Obtained data show that the simulation results are closed to the resul

7、ts of test It is found that the out-plane flexural rigidity of TEMCO joint is good，but the node ductility is poor The bottom flange of beam where bolt holes arranged is the weak part There are no obvious signs before fail- ure，w hich shows characteristics of brittle failure Based on the results of s

8、tatic test and finite analy- sis，it is suggested that the thickness of the flange plate and numbers of the bolt should be increased and the bottom flange of the beam where bolt holes arranged should be strengthened to improve performance of the jointKey words: aluminum alloy shell structure; TEMCO j

9、oint; flexural behavior; finite element analy- sis鋁合金材料本身自重輕、抗腐蝕能力強、 生產標準化程度高，特別適用于大跨度空間1 2盤式節點的設計和應用提供借鑒1試驗結構形式 國外從 20 世紀 40 年代開始對鋁合金的材料特性、構件計算、連接設計、 防火設計及整體計算方面的研究取得較多成 果1 目前我國已建和在建的鋁合金結構主 要有 3 種類型: 單層球面網殼、螺栓球節點網 架和雙層網殼 鋁合金結構節點主要采用以 下類型: 盤式節點、鑄鋁節點、鼓式節點、螺栓 球節 點以及雙層網 殼中的螺栓連接節點 等3 5 國內外學者的研究主要集中于節點 的

10、 有 限 元 分 析、施 工 技 術 及 工 程 設 計3 7，9 18，對于節點受力性能 和破壞機理 的相關試驗研究仍然較少 因此，筆者對 3 種 不同尺寸的鋁合金盤式節點試件進行靜力加 載試驗，試驗將試件簡支，對中心豎向加載， 并利用應變片和位移計測量試件關鍵部位的 應變狀態和變形情況，根據試驗結果分析鋁 合金盤式節點的抗彎剛度和強度性能、分析 盤式節點的受力機理和破壞模式，為鋁合金1 1節點試件試驗由鋁合金蓋板、工字型截面桿件和 緊固螺栓 3 部分組成 按桿件工字型截面和 鋁合金蓋板尺寸不同，共設計 3 個鋁合金盤 式節點試件，編號為: JD1、JD2 和 JD3 工字 型桿件截面參數及

11、鋁合金蓋板半徑 如表 1 所示，桿端詳圖及節點裝配圖如圖 1 所示 其 中，h 為截面高度，b 為截面寬度，tw 為腹板 厚度，tf 為翼緣厚度，L b 為實際工程中梁的 長度表 1 試件工字型截面及鋁合金蓋板參數Table 1 Parameters of aluminium members and alum inum allo y plate 試件編號 h / m m b / m m tw / m m tf / m m L b / m / m m JD12801607104227. 5JD23502008104227. 5 JD34502008104255 圖 1 桿端詳圖及節點裝配圖Fig

12、. 1 Details and node assembly drawing of specimens工字型截面桿件和鋁合金蓋板采用牌號為 6061 的固溶熱處理 + 人工時效 T6 型鋁合金板 為得到準確的力學性能參數，對 3 個試 件的腹板和翼緣所用 6061 T6 型鋁合金板 材分別進行材性試驗，利用 Steihnardt 簡化法 計算得到的 n 值，與試驗曲線吻合較好，試驗 結果如表 2 所示表 2 6061 T6 型鋁合金材性試驗結果試件編號JD1 加權平均值彈性模量 E / M Pa 71 649屈服強度f0. 2 / M Pa 262. 4極限強度fu / M Pa 294. 0n

13、26. 2JD2 加權平均值71 506254. 7290. 525. 5JD3 加權平均值68 666240. 0274. 824. 0Table 2 Material test results of 6061-T6 aluminium alloy1 2 試驗裝置試驗加載裝置由油壓千斤頂、門式反力 架和夾支鉸支座 3 部分組成，裝置如圖 2 所 示 為避免千斤頂作用于蓋板頂部突起的螺 栓，在蓋板中部受千斤頂作用的圓形區域涂 抹砂漿，使節點盤均勻受力試件兩端由夾支鉸支座固定，夾支鉸支 座構造如圖 3 所示 桿件端部兩側由支座鋼 板夾住限制其扭轉 底部支承于剛性圓桿，可 保證桿件在主平面自由轉動

14、 上部不加約束， 即桿件可自由彎曲和翹曲但不發生扭轉圖 2 試驗加載裝置圖Fig. 2 Experiment device1 3試驗方法及量測技術1 3 1加載方法圖 3 夾支鉸支座圖Fig. 3 Support used in the experiment加載在中心節點區上方施加豎向靜力荷載， 以模擬節點受平面外彎矩作用的受力狀態試驗采用靜力單調加載方法對節點及對 向兩桿加載，使用油壓千斤頂和門式反力架為實現物理對中、消除縫隙、減小數據擾動， 對每個試件正式加載之前首先進行預加載，預加載荷載取理論承載力的 10% 預加載 后，采用連續加載 連續采集方案，控制千斤 頂油壓以應力控制加載，當構件

15、已部分進入 塑性后，應盡量減小加載速率，采用應變控制 加載，使塑性應變充分發展，荷載下降 10% 左右或構件破壞無法繼續承載可結束試驗， 具體加載方案如表 3 所示表 3 加載方案Table 3 Loading schemesJD10 170170 無法承載JD20 300300 無法承載JD30 300300 無法承載 試件編號應力控制加載 / kN 應變控制加載 / kN 1 3 2測點布置 試驗采用應變片和應變花測量試件關鍵位置的應變，同時布置位移傳感器測量節點 區和桿件的變形 位移計 D1 布置于下節點 板下表面中心，用于測試節點板中心的位移， 進而了解節點板局部的凹陷和鼓曲 情 況;

16、 D2、D3 用于直接測量桿件變形，進而計算節 點轉角，得到節點 彎矩 轉角曲線; D4、D5 用于測量兩個支座的位移情況; D6、D7 用于 測量桿件端截面轉角 試驗應變片和位移計 布置圖如圖 4 所示圖 4 試驗應變片和位移計布置圖Fig. 4 Layout of strain gages and displacement meters矩作用逐漸增大，且距離荷載作用位置越近，2試驗結果及分析2 1試件破壞形態蓋板中心受靜力荷載作用，試件平面外 受彎 隨靜力荷載逐漸增大，試件受平面外彎平面外彎矩作用越大 鋁合金桿件下翼緣受 拉，加載到極限荷載時，鋁合金桿件下翼緣與 蓋板連接的螺栓孔處被拉斷，

17、發出巨大響聲， 斷面為一個與桿件成 45°的斜面，如圖 5 所示 圖 5 節點破壞截面Fig. 5 Failure modes of specimen node2 2試驗結果分析2 2 1應力分布 由鋁合金桿件腹板部分應變片數據整理得鋁合金桿件腹板在跨中集中荷載 P 分別為 Pu /5、2Pu /5、3Pu /5、4Pu /5、Pu ( Pu 為跨中 集中加載極限承載力) 時的應力分布如圖 6 所示 其中 y 為測量點到截面強軸的距離，h 為腹板高度圖 6 腹板應力分布Fig. 6 Stress distributions of webs由節點蓋板部分應變片和應變花數據整 理得節點試

18、件在 Pu /5、2Pu /5、3Pu /5、4Pu /5、 Pu 荷載作用下，蓋板邊緣應力分布如圖 7 所 示 其中 為邊緣測點 蓋板中心連線與 oa所成角度，如圖 4( a) 所示由圖 6、圖 7 可知腹板及蓋板應力分布 隨加載過程的變化: 節點破壞時，腹板仍處于 彈性狀態，應力分布規律基本滿足平截面假 圖 7 蓋板應力分布Fig. 7 Stress distributions of plates定; 試驗加載至 Pu /5 時，蓋板各測點應力大 致相同，蓋板應力分布較均勻; 繼續加載至 Pu 的過程中，出現應力較大測點，蓋板應力 分布不均勻; 應力較大測點大部分出 現 在 = 0

19、6;、30°、150° 及 180° 即桿件與蓋板相連 處; = 0°和 180°處應力出現反號，可能是螺栓群的作用引起的。2 2 2荷載位移曲線 由試驗所得基本數據整理得試驗加載的荷載 P 節點盤中心位移 1 曲線如圖 8 所示 試件 JD1、JD2、JD3 的極限承載力分別為207. 359 kN、356. 078 kN、450. 443 kN 2 2 3節點剛度評價圖 8 試驗加載 P 1 曲線Fig. 8 Load displacement P 1 curves式中: F 為豎向荷載值，L 為節點盤中心到支節點轉動剛度是評價節點剛度的重

20、要參數，歐洲規范 Eurocode 3 規定8: 初始轉動 剛度 Sj，ini 定義為彎矩轉角曲線彈性段的斜座處的距離節點轉角定義為節點與桿件的相對轉 角，試驗中節點轉角 為率，由于節點的彎矩 轉角曲線為非線性，規 范規定 Sj，ini 可取節點彎矩為塑性受彎承載力 = |1 3r3 5L0|=|1 2r2 4| L0的 2 /3 即 2 /3Mj，d 時的割線斜率試驗所得三個節點試件彎矩 轉角曲線 如圖 9 所示 節點彎矩 M 為M = FL /2( 1)( 2)式中: 1 5 為對應 1 5 號位移計所測位 移，r 為節點盤半徑，L0 為節點盤邊緣到支座處的距離 圖 9 節點試件彎矩 轉角

21、 M 曲線Fig. 9 Moment rotation curves of specimen node根據材料性質、截面信息，由式 Mj，d = f0. 2 ·Wpx ( Wpx 為截面繞 x 軸的塑性截面抵抗 矩) 求得試驗鋁合金桿件的塑性受彎承載力Mj，d 由彎矩 轉角實驗數據曲線查得節點 彎矩 2 /3Mj，d 對應的節點轉角 0 并計算初始 轉動剛度 Sj，ini ，計算過程及結果如表 4 所示表 4 鋁合金節點塑性受彎承載力、節點轉角及初始轉動剛度計算Table 4 Calculated results of moment resistance M j，d ，rotatio

22、n 0 and initial rotational stiffness Sj，ini試件編號f0. 2 / MPaWpx /105 mm3Mj，d /( kN·m)L / mmr / mmL0 /mm2 /3Mj，d /( kN·m)0 / radSj，ini /( kN·m·rad 1 )JD1262. 45. 50144. 321463227. 51235. 596. 820. 01217983JD2254. 78. 98228. 7214632551208152. 960. 009016961JD3240. 012. 50300. 0014632

23、551208199. 260. 0103193633與有限元結果對比采用 ABAQUS 6 9 1 根據節點對稱性 建立四分之一節點模型3 1局部應力有限元計算可得節點蓋板、桿件各部分 應力云圖如圖 10、圖 11 所示 由 von Mises 應力云圖可知: 上蓋板中心部分應力較大 上 下蓋板與螺栓孔連接部位出現一定的應力集 中，應力集中區域位于長肢桿件與蓋板相連 的螺栓孔處 件靠近蓋板端部下翼緣應力大 于上翼緣應力，上下翼緣螺栓孔處均出現應 力集中區域，與試驗試件破壞模式相吻合 3 2荷載位移曲線對比根據有限元模擬結果數據繪制 3 個試件 荷載 節點盤中心位移 P 1 曲線、彎矩 轉角 M

24、 曲線及極限承載力，并與試驗結圖 10 蓋板應力分布Fig. 10 Stress distribution of the plate圖 11 關鍵部位放大圖Fig. 11 Enlarge figure of key positions果進行對比，如圖 12、13 所示 可知，有限元 模擬試驗所得荷載 節點盤中心位移 P 1曲線可以較好的擬合試驗曲線 圖 12 有限元模擬試驗結果與實際試驗結果荷載 中心位移 P 1 曲線對比Fig. 12 Comparison of load displacement P 1 curves between test results and FEA results

25、 圖 13 有限元模擬試驗結果與實際試驗結果彎矩 轉角 M 曲線對比Fig 13 Comparison of moment rotation M curves between test results and FEA results4結論( 1) 此種鋁合金盤式節點為半剛性連接 節點，平面內剛度較小，平面外的抗彎剛度較 大，節點延性不高( 2) 連梁下翼緣螺栓孔處截面是節點的 薄弱部位，破壞形式為脆性斷裂破壞，破壞前 無明顯征兆，構造上存在螺栓孔處截面削弱 過大問題( 3) 連梁上下翼緣螺栓孔處出現應力集 中區域，有限元模型可以較為準確的模擬試 驗過程，模擬結果與試驗結果吻合較好參考文獻:1

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