留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

铝合金网壳结构箱型-工字型盘式节点单肢受力性能有限元分析

张颖 王元清 张俊光 欧阳元文

张颖, 王元清, 张俊光, 欧阳元文. 铝合金网壳结构箱型-工字型盘式节点单肢受力性能有限元分析[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 130-138. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S021
引用本文: 张颖, 王元清, 张俊光, 欧阳元文. 铝合金网壳结构箱型-工字型盘式节点单肢受力性能有限元分析[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 130-138. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S021
Ying ZHANG, Yuan-qing WANG, Jun-guang ZHANG, Yuan-wen OUYANG. FINITE ELEMENT ANALYSIS ON MECHANICAL PERFORMANCE OF SINGLE-LIMBED BOX-I SECTION MEMBER TEMCOR JOINTS IN ALUMINUM ALLOY SPATIAL RETICULATED SHELL STRUCTURES[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 130-138. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S021
Citation: Ying ZHANG, Yuan-qing WANG, Jun-guang ZHANG, Yuan-wen OUYANG. FINITE ELEMENT ANALYSIS ON MECHANICAL PERFORMANCE OF SINGLE-LIMBED BOX-I SECTION MEMBER TEMCOR JOINTS IN ALUMINUM ALLOY SPATIAL RETICULATED SHELL STRUCTURES[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 130-138. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S021

铝合金网壳结构箱型-工字型盘式节点单肢受力性能有限元分析

doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S021
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项目(20110002130002)
详细信息

FINITE ELEMENT ANALYSIS ON MECHANICAL PERFORMANCE OF SINGLE-LIMBED BOX-I SECTION MEMBER TEMCOR JOINTS IN ALUMINUM ALLOY SPATIAL RETICULATED SHELL STRUCTURES

图(11) / 表ll (4)
计量
  • 文章访问数:  22
  • HTML全文浏览量:  5
  • PDF下载量:  4
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2019-04-17
  • 修回日期:  2019-12-29
  • 网络出版日期:  2020-06-01
  • 刊出日期:  2020-06-01

铝合金网壳结构箱型-工字型盘式节点单肢受力性能有限元分析

doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S021
    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项目(20110002130002)
    作者简介:

    王元清(1963−),男,安徽人,教授,博士,主要从事钢结构研究(E-mail: wang-yq@mail.tsinghua.edu.cn)

    张俊光(1991−),男,广东人,硕士,主要从事钢结构研究(E-mail: 1903460487@qq.com)

    欧阳元文(1977−),男,上海人,教授级高工,硕士,主要从事铝合金结构设计与施工管理相关工作(E-mail: oyyw@tal-china.com)

    通讯作者: 张 颖(1996−),女,河北人,博士生,主要从事钢结构研究( E-mail: zhangyin18@mails.tsinghua.edu.cn)
  • 中图分类号: TU395

摘要: 为了研究铝合金箱型-工字型盘式节点单肢构件在竖向和侧向力作用下的受力性能,该文以足尺试件的静力加载试验为基础,采用通用有限元分析软件ABAQUS对铝合金箱型-工字型盘式节点单肢构件进行非线性有限元分析,同时将该盘式节点与刚性节点受力性能进行对比。有限元分析结果表明:在竖向荷载作用达到极限时,试件DZ1的长肢箱型杆件与节点盘相连处的腹板以及下翼缘发生局部屈曲,试件DZ3的紧邻长肢工字型杆件的短肢箱型杆件腹板进入塑性;在侧向荷载作用达到极限时,试件DZ2、DZ4均表现为长肢杆件与节点盘连接处最外侧铆钉孔断裂破坏。有限元模拟结果与试验结果拟合较好,节点较刚性节点应力分布相似,该种混合型盘式节点具有较高的刚度,可作为半刚性节点应用于实际工程当中。

English Abstract

张颖, 王元清, 张俊光, 欧阳元文. 铝合金网壳结构箱型-工字型盘式节点单肢受力性能有限元分析[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 130-138. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S021
引用本文: 张颖, 王元清, 张俊光, 欧阳元文. 铝合金网壳结构箱型-工字型盘式节点单肢受力性能有限元分析[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 130-138. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S021
Ying ZHANG, Yuan-qing WANG, Jun-guang ZHANG, Yuan-wen OUYANG. FINITE ELEMENT ANALYSIS ON MECHANICAL PERFORMANCE OF SINGLE-LIMBED BOX-I SECTION MEMBER TEMCOR JOINTS IN ALUMINUM ALLOY SPATIAL RETICULATED SHELL STRUCTURES[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 130-138. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S021
Citation: Ying ZHANG, Yuan-qing WANG, Jun-guang ZHANG, Yuan-wen OUYANG. FINITE ELEMENT ANALYSIS ON MECHANICAL PERFORMANCE OF SINGLE-LIMBED BOX-I SECTION MEMBER TEMCOR JOINTS IN ALUMINUM ALLOY SPATIAL RETICULATED SHELL STRUCTURES[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 130-138. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S021
  • 铝合金网格结构(包括铝合金网架和铝合金网壳结构)具有自重轻、刚度大、抗腐蚀性能好、环保美观等特性。因此,近年来铝合金网格结构在我国大跨度空间结构中取得了大量的发展和应用[1-4]。其中,铝合金网壳结构是以薄膜应力为主,兼有杆件结构和薄壳结构的主要特性,且相比于网架结构而言,网壳结构受力更均匀,结构整体性更强,空间的使用效率更高,这也是铝合金网壳结构受到建筑业青睐所在[5-7]

    由于焊接过程会使建筑用铝合金材料产生较大的强度损失,铝合金网壳结构中的杆件常采用机械连接。铝合金盘式节点较其他类型节点具有加工和安装便捷,受力性能合理稳定的优点,在实际工程中具有很大的应用前景[1]。国内对铝合金盘式节点的研究主要集中在六肢工字型节点[5],对于箱型-工字型盘式节点研究较少。连接不同类型杆件的箱型-工字型盘式节点在工程应用中能够更好地满足不同工况下结构的需求。

    本文以箱型-工字型铝合金盘式节点单肢构件静力加载试验为基础,采用有限元模拟方法研究该铝合金盘式节点单肢构件分别在竖向和侧向荷载下的力学性能,分析盘式节点的破坏模式、极限承载力、节点刚度、上下节点盘应力分布情况以及不同加载工况下对盘式节点强度和刚度的影响,为盘式节点在结构工程中更广泛的应用提供支持和对结构设计提供参考。

    • 本文选用南京牛首山佛顶宫的典型节点进行不同荷载下的静力加载试验,研究实际工程中节点可能承受的荷载形式对箱型-工字型盘式节点受力性能的影响。每个试件各保留一根杆件,试件DZ1和DZ2保留单肢箱型杆件,试件DZ3和DZ4保留单肢工字型杆件,如图1所示。试验对DZ1、DZ3长肢末端施加竖向静力荷载,对DZ2、DZ4长肢末端施加侧向水平静力荷载。铝合金盘式节点杆件截面尺寸以及连接构造尺寸详见图2。节点盘为半径360 mm,厚度为16 mm的圆形铝合金板。节点盘开孔位置及细部构造如图3所示。

      图  1  铝合金盘式节点试件

      Figure 1.  Specimens of aluminum alloy TEMCOR joint

      图  2  杆件截面尺寸及端部详图 /mm

      Figure 2.  Section size and end details of members

      图  3  节点盘构造祥图 /mm

      Figure 3.  Details of joint plate

      试件DZ1~DZ4的试验加载情况如图4所示,试验采用100 T油压千斤顶在盘式节点长肢杆件末端施加静力荷载,对节点连接部位使用约束装置进行固定。

      图  4  加载装置图

      Figure 4.  Experiment set-up

      试件DZ1~DZ4在达到极限承载力时可发现,试件DZ1、DZ3在竖向荷载的作用下均发生连接区域杆件屈曲破坏;试件DZ2、DZ4在侧向荷载作用下均在长肢杆件连接处铆钉孔发生断裂,试件破坏突然,无明显征兆;在竖向力作用下的试件DZ1、DZ3的极限承载力均大于在侧向力作用下的试件DZ2、DZ4。

    • 选用大型通用有限元软件ABAQUS对试件DZ1~DZ4建立试件整体模型,并进行非线性有限元计算分析。在ABAQUS有限元分析过程中,节点有限元细部尺寸参数均按照试验构件选取(如图2图3所示),进行结构整体的数值模拟计算。

    • 本文中试件杆件及节点盘使用6061-T6铝合金挤压而成。由于不同截面的试件出自不同的挤压模具,因此不同试件以及试件不同组成部分的材料性能可能有所不同,需要根据试验构件的材性试验结果分别定义,赋予模型中相应的部位(如翼缘和腹板)。试件的材性试验测得的铝合金材料力学性能参数如表1所示。该盘式节点的紧固件使用M10不锈钢环槽铆钉,其力学性能如表2所示。

      表 1  试件铝合金的力学性能参数

      Table 1.  Mechanical behavior of aluminum alloy members

      截面类型 取材位置 E0/MPa f0.2/MPa fu/MPa εu/(%) n
      箱型 翼缘 73075 308 338 6.9 30.8
      550×290×10×12 腹板 70702 299 332 7.7 29.9
      工字型 翼缘 71027 246 285 6.4 24.6
      550×220×11.5×14 腹板 72179 243 285 8.2 24.3
      注:E0为弹性模量;f0.2为塑性应变为0.2%时的应力;fu为极限强度;εu为极限应变;n为材料的应变硬化指数

      表 2  不锈钢环槽铆钉力学性能参数

      Table 2.  Mechanical behavior of stainless steel rivets

      铆钉型号 屈服强度fy/MPa 抗拉强度fub/MPa 钉帽强度fun/MPa 弹性模量E/MPa 泊松比
      M10 600 800 800 1.9×105 0.29

      铝合金材料采用ABAQUS中的Ramberg-Osgood模型[8]模拟材料的本构关系:

      $$\varepsilon {\rm{ = }}\frac{\sigma }{E} + 0.002{(\frac{\sigma }{{{f_{0.2}}}})^n}$$ (1)

      式中:E为材料的弹性模量;f0.2为材料的屈服强度;n为应变硬化指数。n的取值采用Steighard简化法则求得(即取 $ n = 0.1{f_{0.2}}$ )。

    • 有限元模型网格质量划分的好坏直接影响到有限元分析是否能够顺利快速的运行,关系着是否能够得到高精度、高吻合的分析结果。

      在划分网格前选用Part功能模块或Mesh功能模块对三维部件使用分割工具将其划分成几何形状简单的区域以便于较好划分网格。对节点盘以及节点盘与各肢杆件相连的杆件区域划分比较密集的网格,以增加计算精度,而其他区域则划分为相对较稀疏的网格,提高计算效率。

      在对杆件网格划分时,与节点盘相接触部位(除了铆钉孔附近)采用六节点线性楔形单元C3D6,并划分为扫掠楔形网格,而杆肢的伸出部分则采用8节点六面体非协调模式单元C3D8I,目的在于克服线性完全积分单元的自锁问题,且在模型分析中降低计算成本,网格划分为结构化六面体网格。在对节点盘划分时,除了铆钉孔附近采用8节点六面体非协调模式单元C3D8I,划分为结构化六面体网格,其他部位采用六节点线性楔形单元C3D6,划分为扫掠楔形网格。构件的网格划分如图5所示。节点盘、铆钉及加载板的接触采用摩擦接触,摩擦系数取为0.15[9]

      图  5  试件网格划分

      Figure 5.  Mesh generation of the specimens

    • 本次试验共有4个节点试件,试件DZ1~DZ4为外伸单根长肢杆件节点(DZ1、DZ2为外伸单根长肢箱型杆件节点,DZ3、DZ4为外伸单根长肢工字型杆件节点),其余5根杆件为短肢,将试件DZ1~DZ4的5根短肢末端固定,通过在长肢杆件末端施加单调荷载来研究受力情况。其中试件DZ1、DZ3在长肢杆件的末端翼缘处施加竖向荷载,试件DZ2、DZ4在长肢杆件的末端腹板处施加侧向荷载。在有限元模型分析中为了有效模拟试件实际的受力状态,在5根短肢的末端施加固定约束。另外,试验中在长肢杆件末端采用位移控制加载,也采用相同的创建方法在杆件末端给定相应的位移。

    • 图6所示分别为试件DZ1~DZ4对应的有限元分析的破坏形态与试验破坏形态对比,可看到有限元模型能够较好拟合试验受力情况。

      图  6  节点破坏模式

      Figure 6.  Failure modes of the specimens

      试件DZ1:长肢箱型杆件与节点盘相连处腹板以及下节点盘附近的翼缘出现屈曲。

      试件DZ3:紧邻长肢工字型杆件的短肢箱型杆件腹板进入塑性,塑性发展过程为短肢箱型杆件的腹板与翼缘连接处传至腹板中心。

      试件DZ2:长肢箱型杆件翼缘与节点盘相连处施力侧边缘铆钉孔附近区域塑性变形较大。

      试件DZ4:长肢工字型杆件端部翼缘与节点盘相连的靠近节点盘边缘,即最外侧铆钉区域进入塑性。

    • 本文对于节点破坏并确定节点承载力采用极限荷载准则。有限元模拟计算结果和试验结果对比如表3所示。从节点承载力来看,试件DZ3、DZ4有限元与试验的极限承载力相差较大,可能原因是工字型截面杆件节点在相应的荷载作用下变形较大,试件受力模式发生些许变化。

      表 3  节点承载力有限元与试验结果比较

      Table 3.  Comparison of load carrying capacity of specimens between FE and tests

      试件编号 有限元值/kN 试验值/kN 误差/(%)
      DZ1 228.71 229.37 −0.28
      DZ2 140.12 139.41 0.54
      DZ3 269.67 310.41 −13.12
      DZ4 50.40 59.48 −15.26
    • 为研究节点的刚度,文本建立一个与试验构件整体尺寸相同的刚性节点模型,如图7所示为刚性节点模型及网格划分情况,刚性节点模型采用与盘式节点有限元相同的细部尺寸,边界条件同样是在5根短肢杆件末端施加固定约束并在长肢杆件末端采用位移控制加载。该刚性模型选用8节点六面体非协调模式单元C3D8I。

      图  7  刚性节点有限元模型

      Figure 7.  Finite element models of rigid joints

      通过提取刚性节点有限元模型数据和对应试验节点数据,得到弯矩-转角曲线以及初始转动刚度,进而对比节点试件的刚度,判断该铝合金箱型-工字型节点的类型。弯矩-转角曲线反映的是节点试件在受力的过程中,转角随弯矩变化的规律。节点试件的初始转动刚度Sj,ini在欧洲规范Eurocode 3[10]中定义为弯矩-转角曲线弹性段的斜率,计算初始转动刚度Sj,ini=2/3Mj,Rd/ϕ0(Mj,Rd为塑性受弯承载力,ϕ0为节点弯矩2/3Mj,Rd对应的节点转角)。

      图8所示为试件DZ1~DZ4试验和刚性节点的弯矩-转角曲线对比图,图中,纵轴M表示节点弯矩,M=FL/2,横轴φ表示节点盘与杆件的相对转角。表4给出了试验节点和刚性节点刚度对比关系,表4中可以看到节点试件DZ1~DZ4与相应的刚性节点的初始转动刚度的比值分别为52.30%、50.73%、49.16%、81.52%,从总体上看,试件DZ1~DZ4分别与对应的刚性节点相比刚度差距较小。

      表 4  节点试件受力性能比较

      Table 4.  Comparison of the mechanical behaviors of joints

      试件编号 Mj,Rd/(kN∙m) 2/3Mj,Rd/(kN∙m) φ0/rad Sj,ini/(kN∙m∙rad−1)
      DZ1 试验 458.74 309.83 0.0364 8511.81
      刚性节点 485.73 323.82 0.0199 16275.36
      对比 52.30%
      DZ2 试验 278.83 185.89 0.0436 4247.38
      刚性节点 329.03 219.35 0.0262 8372.14
      对比 50.73%
      DZ3 试验 620.82 413.88 0.0534 7750.56
      刚性节点 510.87 340.58 0.0216 15767.59
      对比 49.16%
      DZ4 试验 118.11 78.79 0.0405 1945.43
      刚性节点 100.59 67.06 0.0281 2386.48
      对比 81.52%

      图  8  试件弯矩-转角曲线对比

      Figure 8.  Comparison of moment-rotation curves of specimens

    • 由于试件DZ1、DZ3是在竖向荷载作用下,铆钉应力分布较相似,试件DZ2、DZ4是在侧向荷载作用下,铆钉应力分布较相似。故分别以竖向荷载和侧向荷载作用的试件总结节点应力分布。

    • 图9所示为试件DZ1节点盘铆钉群应力分布

      图  9  铆钉群应力分布图

      Figure 9.  Stress distribution of rivets

      图9可知,在竖向荷载作用下,从试件DZ1整体来看,铆钉群的应力分布并不均匀。试件DZ1长肢杆件与节点盘相连部位的铆钉群以及紧邻长肢杆件的两个短肢杆件与节点盘相连部位的铆钉群应力水平较大,而连接其他短肢杆件与节点盘的铆钉群应力较小。可见,单肢节点构件在长肢竖向荷载作用下,主要由临近的两根短肢杆件提供反向支撑。下节点盘处铆钉应力较上节点盘处铆钉应力较大,上节点盘处铆钉群内部铆钉应力较小。

      在侧向荷载作用下,试件DZ4长肢杆件与节点盘相连部位的铆钉群应力分布集中,对除长肢杆件连接之外的铆钉群应力分布较均匀,上、下节点盘铆钉应力状态相同。

    • 图10为有限元模拟相应试件的节点盘应力图,从试件DZ1节点盘的应力分布来看,应力分布较大部位均出现在铆钉孔处,有明显的应力集中现象。在竖向荷载作用下,节点盘中心区域应力较大,临近长肢杆件的短肢杆件相连处节点盘应力较大。下节点盘较上节点盘应力较大,扩展更明显。

      图  10  节点盘应力分布图

      Figure 10.  Stress distribution of joint plates

      从试件DZ4节点盘的应力分布来看,长肢杆件与节点盘相连部位的铆钉孔处应力水平较高,连接短肢杆件的区域应力分布均匀。

    • 图11所示为各杆件的Von Mises应力图。从试件DZ1、DZ3的杆件应力分布来看,长肢杆件及紧邻长肢杆件的两个短肢杆件的端部应力较明显,铆钉孔处出现应力集中现象,应力传递是从铆钉孔处开始传递到节点盘和翼缘,并随后传递到腹板,腹板中部应力较小。对于长肢箱型杆件节点DZ1,铆钉区域内部应力较小,铆钉区外缘应力集中,相邻工字型短肢上翼缘应力集中在腹板连接处,下翼缘为铆钉区域外受压,翼缘外侧应力较大。对于长肢工字型节点DZ3,应力集中在铆钉孔区域,全部铆钉孔均进入塑性状态,上部翼缘与腹板连接处应力较大,下部翼缘外侧应力较大,相邻工字型短肢铆钉孔处应力集中,相邻箱型短肢铆钉区域外缘应力集中。

      图  11  杆件应力分布图

      Figure 11.  Stress distribution of joint members

      从试件DZ2、DZ4的杆件应力分布来看,箱型杆件(试件DZ2)应力集中部位也是出现在铆钉区域外缘处,荷载方向一侧腹板中部受压,工字型杆件(试件DZ4)翼缘外侧分别进入拉压塑性状态。

    • 通过对四个铝合金箱型-工字型盘式节点单肢构件在不同形式荷载下的非线性有限元分析,并与试验结果和刚性节点的的受力性能进行对比,可以得到以下结论:

      (1)在竖向力作用下,试件DZ1长肢箱型杆件与节点盘相连处腹板以及下翼缘出现屈曲现象,试件DZ3紧邻长肢工字型杆件的短肢箱型杆件腹板进入塑性;在侧向力作用下,试件DZ2、DZ4的长肢杆件端部下翼缘与节点盘相连的外侧边缘铆钉孔进入塑性。

      (2)试件DZ1~DZ4应力集中部位均出现在铆钉孔处,应力传递路径相同,即应力先从铆钉与铆钉孔接触部位开始,向节点盘和杆件上翼缘传递,最后传递至腹板处。

      (3)从有限元与试验荷载-位移曲线来看,误差相对较小,结果吻合较好,可以作为可靠的有限元模型对该种形式的节点试件进行模拟,应用于工程设计当中。

      (4)将理想刚性节点与试验的初始转动刚度对比分析可知,试件DZ1~DZ4分别与对应的刚性节点相比,应力分布相似,该种盘式节点具有较高的刚度,在工程设计当中作为半刚性节点。

      (5)节点箱型杆件和工字型杆件受力形式具有显著的差异,铆钉布置方式、截面形式和杆件布置形式对节点处的应力分布有很大影响。因此,为了能够使该箱型-工字型节点能够具有更合理的受力状态,需要对该节点连接处的杆件排列方式和铆钉布置形式进行进一步研究和更好的设计。

参考文献 (10)

目录

    /

    返回文章
    返回