异形剪力键的静力试验与有限元分析

异形剪力键的静力试验与有限元分析

马克坚是上海大学空间结构研究中心的科学家，他提出了一种带有钢腹部结构的框架结构。盒式结构体系由钢空腹夹层板和网格式墙架剪力键是钢空腹夹层板的重要组成部分，其研究一直是重点和热点。刘卓群由于设置内部加劲板的剪力键施工难度较大，对其构造进行了优化设计，提出了采用带翼缘的十字型剪力键的钢空腹夹层板结构(简称异形剪力键)，申请了国家专利并获得了专利授权在之前的研究中，对未浇筑混凝土板的采用异形剪力键的钢空腹夹层板进行了分级静力加载试验，通过与理论分析方法———拟交叉梁系法及有限元计算结果的对比得到:在弹性范围内3种方法均具有较高的精度1试验总结1.1t型钢剪力键单元综合考虑试验场地、经费、可供购买的型钢及钢空腹夹层板的构造要求等因素，设计的试验模型如图2所示:网格尺寸为1m×1m，设计为长宽比为5∶1的单向受力体系，受力方向为5个网格，即整体网格尺寸为5m×1m，钢筋混凝土板厚0.1m，混凝土板超出剪力键中心线150mm，超出剪力键边缘为50mm。即混凝土板尺寸为5.3m×1.3m×0.1m。剪力键高0.2m，剪力键截面尺寸如图2(c)所示，翼缘厚7mm，宽75mm，腹板厚5mm，宽150mm，与上下两块□200mm×200mm×8mm的钢盖板焊接为一个独立的剪力键单元。剪力键单元之间采用长0.85m，截面为T75mm×75mm×7mm×5mm的T型钢焊接成一个空间协同工作的钢架。钢架与混凝土板之间用Φ13的栓钉作为抗剪连接件，栓钉如图2(d)所示间距为150mm，采用单排布置1.2结构变形测试由于结构的对称性，如图4所示，仅在1/4结构范围内布置测点。其中A、B测点采用德国SICK公司AOD5-N1激光位移传感器进行采集，两测点位于剪力键盖板中心的正下方;C、D、E测点采用WBD型百分表式位移传感器来测量结构的位移，测点位于每一跨混凝土板底的中心点位置。应变测量点1～2、9～12、19～22号位于异形剪力键的腹板上;其余应变片贴在T型肋的腹板上。所用的应变片均为120-5AA免焊接单向应变片，方向为结构的长轴方向。1.3满布求取形貌本试验采用铁块模拟均布荷载，每块铁块20.4kg，计为0.2kN/块，满布共计5×16=80块，合计16kN。加载区域为5.3m×1m，等效荷载为3.0kN/m1.4力键的局部屈曲在加载过程中，混凝土未发现开裂、破坏现象，钢结构上下肋和剪力键均未出现局部屈曲及焊缝开裂现象。在加载到设计荷载之前，应变和位移有规律地均匀增加，各测定的最大应变未超过所用材料的屈服应变，表明在设计荷载下，整个结构均处于弹性工作阶段。2id65单元、钢筋的共节点建模该试验选用大型有限元软件ANSYS19.0进行建模计算。SHELL181单元模拟剪力键和T型肋，网格大小为12.5mm，构件之间焊接牢固，采用共节点的方式进行连接。混凝土使用SOLID65单元、钢筋选用LINK180单元，混凝土和钢筋的网格大小均为50mm，两者之间直接进行共节点建模。混凝土板与型钢之间不考虑相对滑移，故实体单元与壳单元之间采用绑定接触连接。钢材和钢筋均选用双线性等向强化模型(bilinearisotropic,BI-SO)，混凝土选用多线性等向强化模型(multilinearisotropic,MISO)进行建模由于钢空腹夹层板如图6所示为直接放置在圆钢上组成弧形支座，接触仅为一条直线，模型的边界条件为角部剪力键下盖板的中线上施加一个UZ方向的约束，不约束平动和转动。试验设计为3.0kN/m3比较有限组和试验结果之间的关系3.1混凝土板上表面活性剂图8为设计荷载作用下各测点挠度实测值的中位数和有限元理论值的比较，其中A、B点在十字形剪力键下盖板的底部中心，C、D、E位于混凝土板下表面的中心点。所有测点两者的误差均在5%以内，其中C点的误差最大，为4.27%,B点最为接近，误差为0.15%，说明实测值与有限元的拟合度很高。3.2试验的基本情况图9为设计荷载作用下应变的试验采集值的中位数与有限元计算值的对比图。其中(a)、(b)图为第一跨，(c)、(d)图为第二跨，(e)、(f)图为中间跨;1、9、2、10、11、19、12、20、21、22点在十字形剪力键的腹板上，其余点位于T型肋的腹板上(如前图4所示)。由于粘贴应变片所用的胶水层厚度、钢结构表面抛光度等因素存在差异，试验测得的数据和有限元结果之间有一定的误差。通过对比可得，两者的趋势是一致的，总体认为有限元模型能较好地模拟整个结构的应变情况。综合图9可得，采用异形剪力键的钢空腹夹层板应变较大的地方位于一、二跨T型上下肋腹板靠近剪力键的位置(3、7、4、8、13、17、14点)，同时异形剪力键的腹板处也测试到了相应较大的应变，说明十字形剪力键的腹板也承担了传力的作用。3.3应力分布规律图10为设计荷载作用下的Mises应力云图。从图中可得到应力较大的地方主要集中在1、2跨T型上下肋靠近剪力键的腹板边缘处，剪力键的十字型腹板内部也有应力分布，这与试验过程中采集到的应变通过计算后得到的应力分布规律一致。同时剪力键的下盖板也有应力分布，可得采用异形剪力键的钢空腹夹层板、钢架两跨之间力的传递是通过异形剪力键的腹板和盖板同时进行的。采用传统的方钢管钢空腹夹层板的剪力键节点域中方钢管与上下肋接触的部位会出现比较明显的应力集中现象，而由于方钢管的中空构造，此处为结构最薄弱的部位。此时方钢管的侧壁应力相对很小，而内隔板(即盖板)的应力较大，盖板承担了主要的力的传递任务4钢进行有限元建模对4点支撑5.3m×1.3m的采用异型剪力键的钢空腹夹层板进行静力试验和有限元研究，得到以下结论:(1)试验中采集的数据与有限元的计算结果相比较，两者挠度的误差小于5%，应变虽有一定误差，但趋势一致。可以认为文中所述的有限元建模方法能较好地反映采用异形剪力键的钢空腹夹层板结构的挠度和应变、应力分布情况。可以在接下来的研究中采用文中所述的有限元的建模方式对不同跨度、荷载及不同截面尺寸的该新型结构继续进行参数化分析和研究。(2)在加载过程中，混凝土未发现开裂、破坏现象，钢结构上下肋和剪力键均