铝合金网壳结构盘式节点受力性能试验

1、.2 0 1 4 年 9 月第 30 卷 第 5 期沈 阳 建 筑 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 )Journal of Shenyang Jianzhu University ( Natural Science)Sep2014Vol 30 ，No 5*;文章编号: 2095 1922( 2014) 05 0769 09doi: 10 11717 / j issn: 2095 1922 2014 05 01铝合金网壳结构盘式节点受力性能试验王元清1 ，柳晓晨1 ，石永久1 ，尹建2 ，欧阳元文2( 1 清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室，北京 100084;2 上海通正铝业工

2、程技术有限公司，上海 200949)摘 要: 目的 研究铝合金盘式节点的抗弯刚度和强度性能，分析盘式节点的受力机 理和破坏模态，获取盘式节点在纯弯受力状态下的弯矩 转角曲线及关键部位的应 变状态和变形情况 方法 对 3 种不同尺寸的铝合金盘式节点试件进行静力加载试 验，结合通用有限元程序 ABAQUS 对加载过程进行有限元模拟 静力加载试验将试 件端部连梁简支，对节点区中心竖向加载，并利用应变片和位移计测量试件关键部位 的应变状态和变形情况 结果 铝合金盘式节点平面外的抗弯刚度较大，节点延性不 高 连梁下翼缘螺栓孔处截面是节点的薄弱部位，破坏形式为脆性断裂破坏，破坏前 无明显征兆 结论 有限元

3、模型可以较为准确地模拟试验过程，模拟结果与试验结果 吻合较好关键词: 铝合金网壳; 盘式节点; 静力试验; 受弯性能; 有限元分析中图分类号: TU395文献标志码: 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基金项目: 国家十二五科技支撑计划项目 ( 2012BAJ16B05 ) ; 高 等学校博士学科点专项科研基金 ( 20110002130002)作者简介: 王元清( 1963) ，男，教授，博士，主要从事钢结构研究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铝合金材料本身自重轻、抗腐蚀能力强、 生产标准化程度高，特别适用于大跨度空间1 2盘式节点的设计和应用提供借鉴1试验结构形式 国外从 20 世纪 40 年代开始对铝合金的材料特性、构件计算、连接设计、 防火设计及整体计算方面的研究取得较多成 果1 目前我国已建和在建的铝合金结构主 要有 3 种类型: 单层球面网壳、螺栓球节点网 架和双层网壳 铝合金结构节点主要采用以 下类型: 盘式节点、铸铝节点、鼓式节点、螺栓 球节 点以及双层网 壳中的螺栓连接节点 等3 5 国内外学者的研究主要集中于节点 的

10、 有 限 元 分 析、施 工 技 术 及 工 程 设 计3 7，9 18，对于节点受力性能 和破坏机理 的相关试验研究仍然较少 因此，笔者对 3 种 不同尺寸的铝合金盘式节点试件进行静力加 载试验，试验将试件简支，对中心竖向加载， 并利用应变片和位移计测量试件关键部位的 应变状态和变形情况，根据试验结果分析铝 合金盘式节点的抗弯刚度和强度性能、分析 盘式节点的受力机理和破坏模式，为铝合金1 1节点试件试验由铝合金盖板、工字型截面杆件和 紧固螺栓 3 部分组成 按杆件工字型截面和 铝合金盖板尺寸不同，共设计 3 个铝合金盘 式节点试件，编号为: JD1、JD2 和 JD3 工字 型杆件截面参数及

11、铝合金盖板半径 如表 1 所示，杆端详图及节点装配图如图 1 所示 其 中，h 为截面高度，b 为截面宽度，tw 为腹板 厚度，tf 为翼缘厚度，L b 为实际工程中梁的 长度表 1 试件工字型截面及铝合金盖板参数Table 1 Parameters of aluminium members and alum inum allo y plate 试件编号 h / m m b / m m tw / m m tf / m m L b / m / m m JD12801607104227. 5JD23502008104227. 5 JD34502008104255 图 1 杆端详图及节点装配图Fig

12、. 1 Details and node assembly drawing of specimens工字型截面杆件和铝合金盖板采用牌号为 6061 的固溶热处理 + 人工时效 T6 型铝合金板 为得到准确的力学性能参数，对 3 个试 件的腹板和翼缘所用 6061 T6 型铝合金板 材分别进行材性试验，利用 Steihnardt 简化法 计算得到的 n 值，与试验曲线吻合较好，试验 结果如表 2 所示表 2 6061 T6 型铝合金材性试验结果试件编号JD1 加权平均值弹性模量 E / M Pa 71 649屈服强度f0. 2 / M Pa 262. 4极限强度fu / M Pa 294. 0n

13、26. 2JD2 加权平均值71 506254. 7290. 525. 5JD3 加权平均值68 666240. 0274. 824. 0Table 2 Material test results of 6061-T6 aluminium alloy1 2 试验装置试验加载装置由油压千斤顶、门式反力 架和夹支铰支座 3 部分组成，装置如图 2 所 示 为避免千斤顶作用于盖板顶部突起的螺 栓，在盖板中部受千斤顶作用的圆形区域涂 抹砂浆，使节点盘均匀受力试件两端由夹支铰支座固定，夹支铰支 座构造如图 3 所示 杆件端部两侧由支座钢 板夹住限制其扭转 底部支承于刚性圆杆，可 保证杆件在主平面自由转动

14、 上部不加约束， 即杆件可自由弯曲和翘曲但不发生扭转图 2 试验加载装置图Fig. 2 Experiment device1 3试验方法及量测技术1 3 1加载方法图 3 夹支铰支座图Fig. 3 Support used in the experiment加载在中心节点区上方施加竖向静力荷载， 以模拟节点受平面外弯矩作用的受力状态试验采用静力单调加载方法对节点及对 向两杆加载，使用油压千斤顶和门式反力架为实现物理对中、消除缝隙、减小数据扰动， 对每个试件正式加载之前首先进行预加载，预加载荷载取理论承载力的 10% 预加载 后，采用连续加载 连续采集方案，控制千斤 顶油压以应力控制加载，当构件

15、已部分进入 塑性后，应尽量减小加载速率，采用应变控制 加载，使塑性应变充分发展，荷载下降 10% 左右或构件破坏无法继续承载可结束试验， 具体加载方案如表 3 所示表 3 加载方案Table 3 Loading schemesJD10 170170 无法承载JD20 300300 无法承载JD30 300300 无法承载 试件编号应力控制加载 / kN 应变控制加载 / kN 1 3 2测点布置 试验采用应变片和应变花测量试件关键位置的应变，同时布置位移传感器测量节点 区和杆件的变形 位移计 D1 布置于下节点 板下表面中心，用于测试节点板中心的位移， 进而了解节点板局部的凹陷和鼓曲 情 况;

16、 D2、D3 用于直接测量杆件变形，进而计算节 点转角，得到节点 弯矩 转角曲线; D4、D5 用于测量两个支座的位移情况; D6、D7 用于 测量杆件端截面转角 试验应变片和位移计 布置图如图 4 所示图 4 试验应变片和位移计布置图Fig. 4 Layout of strain gages and displacement meters矩作用逐渐增大，且距离荷载作用位置越近，2试验结果及分析2 1试件破坏形态盖板中心受静力荷载作用，试件平面外 受弯 随静力荷载逐渐增大，试件受平面外弯平面外弯矩作用越大 铝合金杆件下翼缘受 拉，加载到极限荷载时，铝合金杆件下翼缘与 盖板连接的螺栓孔处被拉断，

17、发出巨大响声， 断面为一个与杆件成 45°的斜面，如图 5 所示 图 5 节点破坏截面Fig. 5 Failure modes of specimen node2 2试验结果分析2 2 1应力分布 由铝合金杆件腹板部分应变片数据整理得铝合金杆件腹板在跨中集中荷载 P 分别为 Pu /5、2Pu /5、3Pu /5、4Pu /5、Pu ( Pu 为跨中 集中加载极限承载力) 时的应力分布如图 6 所示 其中 y 为测量点到截面强轴的距离，h 为腹板高度图 6 腹板应力分布Fig. 6 Stress distributions of webs由节点盖板部分应变片和应变花数据整 理得节点试

18、件在 Pu /5、2Pu /5、3Pu /5、4Pu /5、 Pu 荷载作用下，盖板边缘应力分布如图 7 所 示 其中 为边缘测点 盖板中心连线与 oa所成角度，如图 4( a) 所示由图 6、图 7 可知腹板及盖板应力分布 随加载过程的变化: 节点破坏时，腹板仍处于 弹性状态，应力分布规律基本满足平截面假 图 7 盖板应力分布Fig. 7 Stress distributions of plates定; 试验加载至 Pu /5 时，盖板各测点应力大 致相同，盖板应力分布较均匀; 继续加载至 Pu 的过程中，出现应力较大测点，盖板应力 分布不均匀; 应力较大测点大部分出 现 在 = 0

19、6;、30°、150° 及 180° 即杆件与盖板相连 处; = 0°和 180°处应力出现反号，可能是螺栓群的作用引起的。2 2 2荷载位移曲线 由试验所得基本数据整理得试验加载的荷载 P 节点盘中心位移 1 曲线如图 8 所示 试件 JD1、JD2、JD3 的极限承载力分别为207. 359 kN、356. 078 kN、450. 443 kN 2 2 3节点刚度评价图 8 试验加载 P 1 曲线Fig. 8 Load displacement P 1 curves式中: F 为竖向荷载值，L 为节点盘中心到支节点转动刚度是评价节点刚度的重

20、要参数，欧洲规范 Eurocode 3 规定8: 初始转动 刚度 Sj，ini 定义为弯矩转角曲线弹性段的斜座处的距离节点转角定义为节点与杆件的相对转 角，试验中节点转角 为率，由于节点的弯矩 转角曲线为非线性，规 范规定 Sj，ini 可取节点弯矩为塑性受弯承载力 = |1 3r3 5L0|=|1 2r2 4| L0的 2 /3 即 2 /3Mj，d 时的割线斜率试验所得三个节点试件弯矩 转角曲线 如图 9 所示 节点弯矩 M 为M = FL /2( 1)( 2)式中: 1 5 为对应 1 5 号位移计所测位 移，r 为节点盘半径，L0 为节点盘边缘到支座处的距离 图 9 节点试件弯矩 转角

21、 M 曲线Fig. 9 Moment rotation curves of specimen node根据材料性质、截面信息，由式 Mj，d = f0. 2 ·Wpx ( Wpx 为截面绕 x 轴的塑性截面抵抗 矩) 求得试验铝合金杆件的塑性受弯承载力Mj，d 由弯矩 转角实验数据曲线查得节点 弯矩 2 /3Mj，d 对应的节点转角 0 并计算初始 转动刚度 Sj，ini ，计算过程及结果如表 4 所示表 4 铝合金节点塑性受弯承载力、节点转角及初始转动刚度计算Table 4 Calculated results of moment resistance M j，d ，rotatio

22、n 0 and initial rotational stiffness Sj，ini试件编号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与有限元结果对比采用 ABAQUS 6 9 1 根据节点对称性 建立四分之一节点模型3 1局部应力有限元计算可得节点盖板、杆件各部分 应力云图如图 10、图 11 所示 由 von Mises 应力云图可知: 上盖板中心部分应力较大 上 下盖板与螺栓孔连接部位出现一定的应力集 中，应力集中区域位于长肢杆件与盖板相连 的螺栓孔处 件靠近盖板端部下翼缘应力大 于上翼缘应力，上下翼缘螺栓孔处均出现应 力集中区域，与试验试件破坏模式相吻合 3 2荷载位移曲线对比根据有限元模拟结果数据绘制 3 个试件 荷载 节点盘中心位移 P 1 曲线、弯矩 转角 M

24、 曲线及极限承载力，并与试验结图 10 盖板应力分布Fig. 10 Stress distribution of the plate图 11 关键部位放大图Fig. 11 Enlarge figure of key positions果进行对比，如图 12、13 所示 可知，有限元 模拟试验所得荷载 节点盘中心位移 P 1曲线可以较好的拟合试验曲线 图 12 有限元模拟试验结果与实际试验结果荷载 中心位移 P 1 曲线对比Fig. 12 Comparison of load displacement P 1 curves between test results and FEA results

25、 图 13 有限元模拟试验结果与实际试验结果弯矩 转角 M 曲线对比Fig 13 Comparison of moment rotation M curves between test results and FEA results4结论( 1) 此种铝合金盘式节点为半刚性连接 节点，平面内刚度较小，平面外的抗弯刚度较 大，节点延性不高( 2) 连梁下翼缘螺栓孔处截面是节点的 薄弱部位，破坏形式为脆性断裂破坏，破坏前 无明显征兆，构造上存在螺栓孔处截面削弱 过大问题( 3) 连梁上下翼缘螺栓孔处出现应力集 中区域，有限元模型可以较为准确的模拟试 验过程，模拟结果与试验结果吻合较好参考文献:1

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