作者简介:武振宇(1968—),男(汉族),黑龙江省海林市人,哈尔滨工业大学教授、博士生导师.E-mail: wuzhenyu@hit.edu.cn
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Wu Zhenyu and Cheng BoSchool of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, P.R.China
structure engineering; thin walled structures; assembled rack; column base connection; stiffness; bending moment; finite element method
DOI: 10.3724/SP.J.1249.2014.05513
研究组装式钢货架焊接式柱脚节点,分析此种节点绕立柱截面对称轴的抗弯性能,以及轴力对节点抗弯性能的影响.试验中节点的主要变形为底板扭曲,在立柱转角较大时,立柱角部附近腹板的焊缝被撕裂. 结果表明, 立柱中的轴力可增加节点的初始刚度和极限弯矩. 有限元模拟结果与试验结果吻合较好.通过对比参数发现,立柱轴力对柱脚节点初始刚度的增强效果会随着轴力的增大而减弱; 轴力较大的试件具有较长的节点弯矩-转角曲线弹性段; 增加立柱底板厚度可有效提高柱脚节点的刚度和抗弯承载力.
The tests of column base connections in assembled storage racks were carried out to investigate the bending behavior of the connections rotating around the column section's symmetry axis. The effect of column axial force on the bending property of connections was taken into consideration. The main deformation of tested connections was the distortion of the baseplate and the tear at the column corner weld. Tests indicate that the column axial force is a positive factor for initial stiffness and ultimate moment of connections. These connection tests are numerically simulated using the finite element method, and the test results demonstrate the reliability of the simulation. The conclusions obtained by parameter comparisons include: ① The increase of the column axial force is able to enhance the initial stiffness of connection. ② The connection with a larger column axial force has a longer elastic stage in moment-rotation curves. ③ The increase of baseplate thickness is also an efficient method for heightening the stiffness and bending capacity of column base connections.
采用冷弯薄壁钢构件的组装式钢货架是一种主要的货架产品,有多种类型.横梁式货架是其应用最广泛的类型,如图1.组装式货架的柱脚节点没有统一的结构形式,各厂家的产品并不相同,大致分为焊接节点和组装节点两大类.焊接节点是在立柱底端直接焊上一块底板,再通过锚栓将底板固定在地面上(见图1类型1); 组装节点则是通过螺栓将立柱连接在连接件上,而将连接件焊接在底板上(见图1类型2).焊接节点的制造比较简单,而螺栓节点则避免了对立柱施行焊接作业.组装节点和焊接节点均是半刚性节点,其弯矩-转角曲线呈现明显的非线性特征.
不同于普通钢结构中将平板柱脚节点简化为铰接节点的做法,钢货架结构的分析需要考虑此类柱脚节点的抗弯性能.横梁式货架在平行于横梁方向的整体侧向刚度受梁柱节点和柱脚节点绕其立柱截面对称轴抗弯刚度的影响.对于柱脚节点性能,一些钢结构设计规范提出了柱脚抗弯刚度计算公式[1-2]; 中国规范CECS23:90采用门式刚架试验测定柱脚底板转动刚度[3]; 欧洲规范EN15512采用的柱脚节点试验方式考虑了立柱所受轴力对柱脚抗弯刚度的影响[4].
对柱脚节点性能的研究是组装式货架研究领域[5]的一个重要方向.目前,有关货架柱脚节点的研究[6-8]均是针对不同形式的组装节点,采用类似规范EN15512[4]中的方法,同时采用有限元数值分析作为试验研究的补充.此外,刘贤豪等[9]研究了柱脚连接的性能对类似货架的柔性框架结构整体稳定性能的影响.
由于加工简便,焊接底板柱脚节点在国内得到大量应用.本研究为了解焊接底板柱脚节点的抗弯性能,采用原型试验与有限元分析的方法对此类柱脚节点绕其立柱截面对称轴的抗弯性能进行研究,重点分析立柱所受轴力对柱脚节点性能的影响.
节点试件的构造见图2.采用的立柱为标准规格截面立柱(长宽均为55 mm).其腹板上有一系列分布规律的矩形和圆形孔洞,这些孔洞是为了使立柱方便连接横梁等其他构件.采用角焊缝将立柱下端直接焊接在一块底板上,具体焊接的位置为立柱截面的后翼缘和腹板(图2).
立柱和底板的钢材材料性能通过标准件拉伸试验测得,结果见表1,其中包括这2种板件的实测厚度.材性试验的标准件从板件的平直部位上截取,立柱的截取位置为立柱的翼缘.
从文献[7-9]的柱脚试验结果可知,立柱所受的轴力是影响柱脚节点抗弯刚度的重要参数.本研究也将其作为主要研究对象.试验共有3组9个试件(ZJA-1/2/3、ZJB-1/2/3和ZJC-1/2/3).其中,试件ZJA-1/2/3的立柱无轴力; 试件ZJB-1/2/3的立柱轴力为10 kN; 试件ZJC-1/2/3的立柱轴力为16 kN.
不同于普通建筑结构的柱脚试验方法[10-16],本试验装置示意图及其变形简图见图3(a)和图3(b).此方法与文献[8]方法类似,同时对2个对称布置的柱脚节点试件(由1个短柱与其底板组成)施加弯矩.短柱有底板的一端连接在地面模拟件上,另一端连接在刀口铰上.试验装置有2点特殊之处:一是2个柱脚之间的地面模拟件由混凝土块改成了由钢板焊接成的装置,此钢制地面模拟件与立柱底板采用螺栓连接,可重复使用; 二是为了便于试验,采用一种加载连接件将立柱与刀口铰连接在一起,见图3(a).
本试验通过液压千斤顶来施加立柱的轴向荷载,而在另一方向(横向)上,利用螺旋式千斤顶施加横向荷载,使柱脚产生弯矩.2个千斤顶均连有力传感器来测定其所施加的荷载大小.
每次试验时,先运行液压千斤顶将立柱中的竖向荷载达到规定数值,然后保持此值不变,再缓慢扭转螺旋千斤顶施加横向荷载,直到螺旋千斤顶的伸出长度达到50 mm时结束试验.
本试验采用6个位移计测量立柱与地面模拟件的横向位移及转角.位移计和力传感器的信号由DH5922信号测试分析系统自动采集.如图3,在理想状况下,地面模拟件不发生转动,仅产生横向平动,位移计W5和W6的数值应相等.但实际试验结果发现,由于加载装置和试件中存在着缝隙和不对称等缺陷,使得位移计W5和W6的数值并不相等,这将影响下面的柱脚转角计算.
位移计W1至W6的读数值分别为Δ1至Δ6. 刀口铰到柱脚底板的距离和柱脚连接件的宽度分别为l1和l2. 本试验l1和l2的数值分别为340和116 mm.液压千斤顶施加的立柱竖向轴力为F2, 螺栓千斤顶施加的横向力为F1. 由于在螺旋千斤顶顶部没有设置铰接装置,所以螺旋千斤顶还会对地面模拟件产生一个弯矩MC.
地面模拟件的转动角度θC为
θC=(Δ5-Δ6)/d56(1)
两侧立柱相对与地面模拟件的相对转角θA和θB分别为
θA=(Δ4-Δ2)/d24-θC(2)
θB=(Δ3-Δ1)/d13+θC(3)
两侧刀口铰支座处横向荷载FA和FB分别为
FA=F1/2-MC/(2l1+l2)(4)
FB=F1/2+MC/(2l1+l2)(5)
两侧立柱柱脚所受弯矩值MA和MB分别为
MA=FA×l1+F2×
[(Δ5+Δ6)/2-θC×l2/2](6)
MB=FB×l1+F2×
[(Δ5+Δ6)/2+θC×l2/2](7)
实际试验时,地面模拟件两侧的立柱柱脚会相互影响,因此本研究分析的是这两个柱脚的平均性能.立柱柱脚的转角θT与所受弯矩MT均为两侧柱脚的平均值
θT=θA/2+θB/2=(Δ4-Δ2)/(2d24)+
(Δ3-Δ1)/(2d13)(8)
MT=MA/2+MB/2=F1l1/2+
F2(Δ5+Δ6)/2(9)
试验所得到的弯矩-转角曲线如图4.从图4可知,立柱所受轴力的大小对柱脚节点的刚度和承载力均有影响.
对于节点初始刚度的确定,为了方便各试件试验结果之间的比较,以及便于与下文中有限元分析结果进行对比,本研究将转角为0.01 rad时的割线刚度作为试件的初始刚度KTC.如图4,转角在0.01 rad之前的大部分试验曲线基本保持线性.
对于节点极限弯矩的计算,由于大部分试件的曲线没有明显的下降段,因此本研究采用文献[8]中的方法确定节点的极限弯矩.该方法认为极限弯矩对应的变形等于屈服变形值的4倍.具体方法如图5,对于每个试件的试验曲线,先通过弹性段近似直线和塑性段近似直线的交点来确定试件的屈服位移值Δy; 假定试件极值点位移值Δm = 4Δy,由此可确定试件的理论极限弯矩值MTM.试件的初始刚度值和极限弯矩值见表2. 由表2可知,这2个参数值随立柱轴力的增大而增大.
试件的变形主要发生在立柱受拉翼缘附近的柱脚底板上,此处底板被拉起,见图6.同时由于立柱翼缘并没有与底板焊接,见图2,当横向荷载较大时,受拉力的一侧翼缘与底板间出现缝隙.
对于立柱受竖向轴力的试件组ZJB-1/2/3和ZJC-1/2/3,由螺旋千斤顶施加的横向水平力F1会出现减小的情况,见图7.随着柱脚连接件横向位移的增大(即立柱转角增大),横向荷载F1会减小,由式(9)可知,柱脚节点弯矩MT中由横向荷载F1产生的份额减小.
为了分析不同构造参数的其他同类节点,使用有限元软件ANSYS对试验进行了数值模拟[17-19],考虑几何和材料非线性.试验构件如立柱、底板和连接件(仅模拟一块矩形板件)采用壳单元Shell181,见图8.立柱和底板之间连接(见图2)的处理方式为:2个构件在有焊缝部位的节点耦合,无焊缝部位采用只受压杆单元link10连接.底板和连接件板件之间的连接处理方式为:在螺栓孔周边的节点进行耦合,其他部位使用接触单元targe170和conta173进行模拟.板件的材料采用双线性强化弹塑性模型,屈服强度fy和弹性模量E使用表1中的数据,屈服后的切线模量Et=0.02E. 试件下部约束连接件板件,上部采用刚域的方法来模拟试验的刀口铰装置.对于立柱有轴力的试件ZJB和ZJC,先对立柱加载点施加竖向荷载,然后对此加载点施加横向水平位移进行加载.
数值计算得到的荷载-位移曲线见图4,数值模型中转角MT和弯矩θT的计算方式与式(8)和(9)类似,只是不用取2个柱脚的平均值.3组试件ZJA、ZJB和ZJC的初始刚度KFC(计算方法与前文试验试件的KTC一致)分别为10.18、26.44和30.30 kN·m/rad; 采用图5计算方法,数值模型极限弯矩分别为0.234、0.475和0.696 kN·m.由以上数据和表2可知,数值分析得到的初始刚度与试验结果吻合较好,而极限弯矩与试验结果的差别较大.在转角较大时,图4中有限元分析的弯矩值大于试验结果.这是由于当立柱转动较大时,立柱腹板与底板的焊缝边缘被撕裂,见图6,使柱脚节点的抗弯承载力下降.然而,货架在正常的实际应用情况下,柱脚节点转角不会很大.本研究建立的有限元模型可有效分析此类柱脚节点的抗弯性能.
采用上述已验证的有限元模型,对立柱所受轴力、立柱与底板焊接方式和底板厚度等因素对柱脚抗弯性能的影响进行了分析.有限元模型的分类见表3,模型的初始抗弯刚度KFC见表4.表4中的Model 1- 0、Model 1- 10和Model 1- 16分别为试件ZJA、ZJB和ZJC的有限元模型.
图9(a)显示了立柱轴力对柱脚节点模型弯矩-转角性能的影响.从图9(a)和表4可知,随着立柱轴力的增加,模型初始刚度KFC值也将增大,只是增幅会越来越小.同时也可看出,轴力越大,模型弯矩-转角曲线弹性段的长度越长.
表3 有限元模型分类1)
Table 3 Classification of finite element models
立柱与底板焊接方式对柱脚节点模型弯矩-转角的影响见图9(b).从图9(b)和表4可知,此焊接方式的改变会略微提高模型的KFC值和弯矩承载力.虽然节点刚度提高不多,但根据试验现象可知,全部焊接的方式会避免立柱角部的焊缝撕裂情况的发生,见图6.
由于底板厚度的改变而引起的模型弯矩-转角的变化情况见图9(c).从图9(c)和表4可知,底板厚度的增加可提高模型的初始刚度KFC值.从图6的试验节点底板变形中可以看出,底板厚度的增加会增强底板抵抗扭曲变形的能力,进而增强柱脚节点的刚度.
本研究的底板柱脚节点,在普通钢结构中一般被当作铰接节点来简化处理,但是这种处理方式在钢货架结构中并不适用.有些学者[20-23]对柱脚刚度影响立柱性能展开了研究.为了着重说明立柱柱脚节点抗弯刚度Kc对货架立柱稳定性能(用立柱的计算长度系数μ表示)的影响,在此建立一个普通货架的平面简化模型,分析不同刚度的柱脚节点对立柱计算长度的影响,如图 10.其中,P为施加的荷载.简化模型中立柱截面取本研究中的立柱截面特性(惯性矩Ic=9.64×10-8 m4),横梁的截面惯性矩假定为Ib=15×10-8 m4.根据本研究结果,假定立柱柱脚节点的抗弯刚度Kc的变化范围为0~50 kN·m/rad,立柱与横梁之间的连接节点的抗弯刚度Kb分别设定为20和100 kN·m/rad.
使用ANSYS有限元软件可以求得此货架模型的屈曲荷载Pcr,即可得到模型中立柱的计算长度系数为
μ=(π2EIc/(lc2Pcr))1/2(10)
其中,lc为立柱的总高度,本研究设lc=1.8 m.
从图 11可知,随着柱脚节点刚度Kc的增加,立柱的计算长度系数减小,并且减小的幅度不易忽略.当货架模型中柱脚节点的刚度Kc较小时, μ值随Kc增加而减小的幅度较大.此例说明,柱脚节点抗弯刚度是一个影响货架立柱稳定性能的重要因素.在货架承载性能的精确分析中,不可简单地将此类柱脚节点假定为铰接.
图 11 梁刚度对立柱计算长度系数的影响
Fig.11 Influence of Kc on effective length factor of columns
通过对3组钢货架直接焊接底板的柱脚节点进行试验研究和有限元数值分析表明:① 立柱轴力对柱脚节点的初始抗弯刚度与极限弯矩均有影响,柱脚底板出现扭曲变形,立柱腹板的角焊缝边缘在变形较大时出现撕裂破坏; ② 采用壳元的有限元模型可有效模拟此种柱脚节点绕立柱截面对称轴的抗弯性能; ③ 立柱竖向轴力和底板厚度的增加均会提高节点的初始刚度和抗弯承载力,但是立柱轴力对节点性能的影响效果会随着轴力的增加而减弱.
深圳大学学报理工版
JOURNAL OF SHENZHEN UNIVERSITY SCIENCE AND ENGINEERING
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