论文推荐 轴压荷载下大型复杂钢结构球型铰支座剪切性能研究

钢结构球型铰支座在不同荷载组合作用下具有复杂的受力状态,为了研究支座的力学性能以及其对整体结构受力的影响,以广州白云国际机场 T2 航站楼大型支座为对象,对其在轴压荷载下的剪切性能进行了数值模拟分析及足尺模型试验研究。结果表明:应力及变形的试验曲线与数值模拟结果基本一致,且处于较低应力水平;支座水平位移与水平剪力之间基本呈线性关系,其剪切性能满足规范和设计要求。在此基础上,根据试验及模拟结果,提出了在轴压荷载下的拟合支座剪切刚度模型,以用于整体结构的精细化受力分析。

石开荣,潘文智,姜正荣,吕俊锋,卢永徽.轴压荷载下大型复杂钢结构球型铰支座剪切性能研究[J/OL].工业建筑.

由于结构形式和受荷方式的多样性,空间结构的支座通常处于复杂的受力状态 [1-3] ,因而支座的受力性能及其设计与构造等方面是目前的研究热点。沈银澜等 [2] 针对球型支座在水平力作用下转动灵活性减弱的缺点,提出了相应的改进方法,并对其进行验算及相关试验;石开荣等 [3] 对复杂钢结构球型铰支座的压转性能进行了试验研究和理论分析,并提出了轴压荷载下支座的转动刚度模型。娄峰等 [4] 对大吨位球型支座进行了包括压转、压剪及轴压等受力状态下的试验;李军 [5] 依据试验和有限元分析等手段合理设计了超大吨位的球型支座;裴荟蓉等 [6] 提出可补充硅脂的球型钢支座并进行了相关 试验研究;彭天波等 [7] 开发了双曲面球型减隔震支座;Burtscher 等 [8] 通过布置加强钢板来构成两个主轴方向具有不同剪切刚度的高阻尼橡胶支座以用于结构隔震;Markou 等 [9] 基于流体学模型,提出高阻尼橡胶支座的一系列一维力学模型,并推广应用到双向水平运动以及时变竖向荷载的工况。

广州白云国际机场 T2 航站楼采用了大吨位的球型铰支座。不同荷载工况下,该支座既要承担较大的竖向拉、压荷载,还需抵抗一定水平荷载的能力,其设计及构造较为复杂。为此,本文在支座转动性能的研究基础上 [3] ,进一步对其在轴压荷载作用下的剪切性能进行了理论分析及试验研究。

根据图 2 基于 ABAQUS 建立支座几何模型,选用 C3D8I 单元进行网格划分,其中支座主要部件 采用扫略网格划分方式,支座上下部垫板采用结构化网格划分方式,网格密度为 20-25mm。依据支座 的受力及构造特点,多个部件间存在接触问题,切向接触摩擦系数取为 0.03 [10] ,法向接触为允许接触 后分离的硬接触。

钢材弹性模量为 2.06x105MPa,泊松比为 0.3,密度为 7850kg/m 3 。依据规范[11,12],Q345B 低合金钢材的屈服强度为 275MPa,抗拉强度取 450MPa;G20Mn5 铸钢的屈服强度为 300MPa,极限强度为 480MPa;G20Mn5QT 铸钢的屈服强度为 300MPa,极限强度为 500MPa。钢材本构关系取双折线模型,屈服后刚度折减为原刚度的 2% [13] ,如图 3 所示。采用 SF-1 或 PTFE 材料的部件通过改变接触面的摩擦系数来体现。

正式加载前先施加一微小的初始位移,使得部件间的接触面处于初步接触状态,以保证接触分析 的准确性。然后按 3.2 节试验步骤施加荷载。支座顶板为加载面,支座底板为边界条件约束面,约束 三个方向位移。有限元模型如图 4 所示。

通过模拟分析可得到加载全过程的支座受力状态及变形趋势。轴压荷载下随着水平剪力的不断增加,支座受剪过程如图 5 所示。

施加竖向轴压荷载后支座顶部以及球铰的底部应力变化明显,如图 5(a);当开始施加水平剪力时,支座各部件基本不发生明显的变形,传力件与球铰右侧出现压应力较大的区域,如图 5(b);随着水平剪力的增大,支座开始缓慢发生水平位移,并且由于竖向轴压荷载的作用,也产生一定的转动,支座顶部左侧的应力逐渐降低,如图 5(c);随着竖向轴力和水平剪力的增加,支座的传力件与壳体内侧发生接触并伴随着较小的相对滑移,由此产生了新的传力路径,传力件右侧的应力因此相应降低,如图 5(d);最后一级剪力施加前,轴压荷载的增加,使得传力件和球铰的应力突增且集中在右侧,如图 5(e)。

本试验采用 1:1 足尺原型支座试件,加载方式为:采用一台千斤顶(1#)施加支座竖向荷载;采用另一台千斤顶(2#)在水平方向上通过加载横梁对支座试件施加水平荷载。建立三维模型以保证试件及加载千斤顶等安装定位的准确,试验装置如图 6 所示。测点布置见图 7。

支座竖向试验荷载取抗压承载力设计值的 1.2 倍,即 3600kN。水平试验荷载取支座水平承载力设计值的 1.2 倍,即 3000kN。具体试验步骤如下 [14] :

1) 按图 6、7 对支座试件、试验设备及仪器进行安装固定。其中,1#千斤顶施加竖向压力荷载,2#千斤顶施加水平荷载(水平剪力);通过位移及应变系统测量支座试件的位移及应变。

2) 加载至水平承载力设计值的 0.5%后,核对水平方向位移计及水平千斤顶数据,确认无误后,进行预载。

3) 预载。1#千斤顶施加竖向荷载至试验荷载最大值的 50%(1800kN),2#千斤顶施加至支座水平承载力设计值的 20%(取 500kN),恒载 3 分钟,卸载至 0,停载 3 分钟。重复上述预载试验共三次。

4) 正式加载。先将水平试验荷载均匀分为 10 级,1#千斤顶施加竖向荷载至试验荷载的50%(1800kN);2#千斤顶以最大水平试验荷载的 0.5%作为初始水平荷载,再逐级加载,每级荷载稳压 2 分钟后采集并记录相应的试验数据;待 2#千斤顶达到试验荷载的 90%后,1#千斤顶加至支座最大竖向试验荷载(3600kN),然后2#千斤顶加至最大试验荷载(3000kN),稳压 3 分钟后卸载。加载过程连续进行 3 次。

试验过程中,首先施加竖向荷载,到达预定值后保持稳定,然后开始逐级施加水平荷载,水平位移计读数随着水平剪力的增加不断增大。试验过程中支座未出现破坏或异常情况。

提取测点试验数据与相应有限元结果,绘制支座剪切性能的剪力—水平位移曲线 所示。

水平位移类似地,提取试验数据和有限元结果,得到支座中心点的竖向位移,试验最终的支座中心点竖向位移对比如表 1 所示。

其中支座中心点竖向位移 D,向上为正,向下为负;误差百分比 e 是试验值与模拟值的差值占模拟值的百分比。从三次试验值与模拟值的数值来看,支座中心点的竖向位移均较小,从差值百分比来看,试验值与模拟值较为吻合。

应力结果选取支座传力件上的关键测点的试验数据与有限元结果进行对比,测点应变值为 Von Mises 等效应力,如图 9 所示。

由图 9 可发现,对于两个测点(测点 5 和测点 7),试验曲线与模拟曲线的发展趋势基本一致,均为单调增长,在施加完全部的轴力及最后一级剪力荷载后,应力发生突增,这是由于轴力由 1800kN 到 3600kN 的大幅度增加而产生的。另一方面,由图中应力变化曲线可看出理论模拟结果与部分实测数据略有偏离,经分析:由于该球型支座节点组成部件较多,构造复杂(图 2),在加载全过程中节点受力变化规律也很复杂,实际试验加载过程和有限元分析模拟中均涉及到接触非线性问题,支座节点部件间会产生相互错动、滑移摩擦、分离甚至嵌入等复杂现象,从而加大了精细化模拟分析的难度并引起局部偏差。但图中结果表明:有限元分析仍可较好地反映支座节点实际加载过程的受力行为,并提供理论参考。根据所有八个应力测点情况可知,试验值与模拟值较为接近,且处于较低应力水平,表明支座受力处于弹性范围内。

根据图 8,支座的剪力—水平位移曲线基本为直线,因此可将支座的剪力—水平位移曲线简化为线性模型。对三次试验的剪力—水平位移数据点及有限元模拟所得的数据点,采用最小二乘法来进行曲线的拟合,曲线形式为线性模型,经过原点,拟合曲线 所示。

从图 10 可知,简化的曲线与试验曲线、数值模拟曲线基本重合,支座剪切刚度为 770kN/mm,压剪状态下所拟合的支座剪切刚度模型可由下式表示:F =770 d (1)

其中 F 为水平方向的剪力,单位为 kN; d 为水平位移,单位为 mm。

对广州白云国际机场 T2 航站楼大吨位复杂球型铰支座进行了轴压荷载下的剪切性能有限元模拟分析和足尺试验研究,得出结论:

1) 支座变形及应力的试验数据及发展趋势与有限元结果基本相符,测点应力均低于钢材屈服强度且富余较大。2) 支座水平位移随着水平剪力的增大而增大,且两者基本呈线性关系,其剪切性能可满足要求。3) 基于整体结构精细化分析的目的,提出了支座轴压荷载下的拟合剪切刚度模型。

[1] 王元清, 陈慧婷, 李运生,等. 大吨位压剪盆式橡胶支座及其连接的原型试验研究[J]. 土木工程学报, 2009(2):80-85.

[2] 沈银澜, 范重, 张培基. 建筑结构球形支座设计分析[J]. 钢结构, 2011, 26(6):6-11.

[3] 石开荣, 潘文智, 姜正荣,等. 大型复杂钢结构球型铰支座的力学性能—轴压荷载下的转动性能[J]. 华南理工大学学报(自然 科学版), 2019, 47(8):9-15.[4] 娄峰, 潘文智, 石开荣,等. 大型钢结构球形支座力学性能试验研究[J]. 施工技术, 2017, 46(18):35-38+102.

[5] 李军. 超大吨位球型支座的结构设计[D]. 重庆大学, 2006.

[6] 裴荟蓉, 佟嘉明, 石秋君,等. 可补充硅脂新型球型钢支座试验研究[J]. 铁道建筑, 2014(5):41-43.

[7] 彭天波, 李建中, 范立础. 双曲面球型减隔震支座的开发及应用[J]. 同济大学学报(自然科学版), 2007, 35(2):176- 180.

[10] 蔡先彬. 复合工艺聚四氟乙烯涂层的摩擦学研究[D]. 苏州大学, 2016.

[13] 何政, 欧进萍. 钢筋混凝土结构非线性分析[M]. 哈尔滨工业大学出版社, 2006, 10:10-28.

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