铸钢节点受力性能的试验研究

周宇航 王 雪

中车齐齐哈尔车辆有限公司

铸钢节点受力性能的试验研究

周宇航 王 雪

中车齐齐哈尔车辆有限公司

近几年来，新型结构体系不断出现，使结构中构件与构件之间节点的连接方式日趋复杂，传统的焊接球节点、钢管相贯节点等各种节点形式已不能适应现代钢结构的发展。随着铸造工艺的提高，铸钢节点以其合理性与实用性越来越受到工程界的关注。在国外，特别是日本、德国等发达国家，铸钢节点已得到了非常普遍的采用；国内铸钢件的应用刚刚兴起，近几年来，在一些铁路货运车辆当中的应用对受力复杂的节点采用了铸钢节点并取得了很好的经济效益。因此本文主要就对铸钢节点受力性能的试验进行分析和探讨。

铸钢节点；受力性能；试验

1 试件设计

为了满足试验加载条件的要求，需对节点设计接长段与封头板，并在接长管内配置十字加劲肋。接长段主要根据加载框架与千斤顶尺寸设计；封头板的设计需考虑相应钢管的直径与加载大小，保证节点在加载过程中不会因杆端局部集中受力而首先发生破坏。为了使试验更接近实际要求，节点在铸造厂内浇铸完毕后，在使用中进行接长段与封头板的焊接。

2 试件的材性

节点的受力与变形特点取决于铸钢材质的力学性能。材料的屈服强度、抗拉强度、弹性模量和伸长率等机械性能指标是节点设计的主要依据。由于本文试验的铸钢节点始终在弹性范围内工作，铸钢为理想弹塑性材料，根据铸钢件制造厂家提供的数据取材料的弹性模量为2.06×105MPa，波松比为0.3，屈服强度为230MPa。

3 试验加载装置

为了保证试验工作的正常进行，在最大试验荷载作用下试验加载装置必需满足刚度与强度要求，保证有足够的安全储备。本次试验对节点G1和G2施加轴向力压力，G3和G4施加水平拉压力，加载方向不太复杂，G1和G2加载数值较大，且要满足G3和G4反复加载的要求。经过分析和对比，竖向加载装置采用两个120吨加载框架，两个加载框架通过加载梁向铸钢节点提供竖向荷载，千斤顶要垂直杆件封头板，压力千斤顶加力大小由压力表读取，水平加载装置采用剪力墙提供水平拉压力，试验证明，加载框架满足了较大竖向荷载，水平拉压荷载加载的需要。

试验时，首先通过反力架和竖直千斤顶对节点施加竖向荷载，竖向荷载通过油泵上的油压表直接读取数值；水平荷载由固定在反力墙上的水平千斤顶施加，加力大小由油压传感器读取，通过油泵人为控制。

4 试验加载方式

试验时，将G1杆件垂直于试验台座，通过接长管封头板上的预留螺栓孔用锚杆将试件锚固在试验台座上，对G1杆件的加载由试验台座反力提供；对G2接长管的加载是通过压力千斤顶施加，在压力千斤顶顶部设置加载梁，加载梁将千斤顶反力传到两榀竖向加载框架，加载框架将力传到试验台座；对G3和G4接长管的加载是通过与法兰连接件连接的拉压千斤顶施加，拉压千斤顶的荷载通过锚固于反力墙的梁传到强度和刚度较大的反力墙。

5 应变测试方案

5.1 测试方法

本次试验采用电阻应变计测试法，为了了解铸钢节点的应力分布规律，应变测点的布置是根据有限元分析的结果进行的，测点的布置力求做到覆盖节点表面上应力较大的测点，并能大致了解节点应力分布规律及变化趋势。从理论分析结果看，铸钢节点的应力不利位置均在管脚附近，远离汇交区域的应力整体水平较低。基于以上原因，应变测点在管脚附近应布置较多，其他区域相应减少，同时为了确保各级施加荷载与设计荷载相符，每根杆件的接长端上布置一定数量的校核测点，测点数目根据管径大小合理布置。

5.2 应变测点布置

由于管身主要承受轴向应力，采用单轴应变片测试；靠近管脚(距管脚0.05m)和远离管脚(距管端0.05m)处各布置4个应变测点。管管汇交的周围区域，应力状态比较复杂，主应力方向未知，因此在此处布置应变花测试测点的应变大小，其应变测点布置以各管件轴线为中心呈同心圆分布，管脚圆周及其同心圆周上各布置4个测点。另外，主管上布置了5排测点，由于主管上测点的应力状态复杂，采用应变花测试。在接长管上沿圆周布置4个测点，采用单轴应变片测试。

5.3 电阻应变片的选取

电阻应变片的种类很多，试验应变片的选取主要考虑应变片的特点、试验技术要求、试验类型及试验环境。本文试验考虑到箔式应变片绝缘度高、耐疲劳性能好、横向效应小等特点，所有测点均采用箔式应变片。

6 试验结果与结果分析

6.1 试验荷载校核

在试验过程中，杆件所受竖向力由油压表控制，水平力由两个油泵施加，人为控制油泵，荷载大小由油压传感器读取。基于上述原因，铸钢节点各杆件荷载的施加在时间上必然存在不同步性。除此之外，杆件之间荷载的施加相互影响，对某根杆件施加荷载时，其它杆件的受力也会发生变化，因此很难保证各杆件实际施加的荷载与设计试验荷载完全相符。通过分析，在两种工况下各管试验实际施加荷载值与试验设计荷载值之间差距很小，误差均不超过1%，因此认为试验时所施加的荷载完全满足试验要求。

6.2 试验结果分析

为得到节点试验测试的应力分布情况，从铸钢节点的各个杆件上选取一定数量的测点，分析铸钢节点各区域的应力变化趋势。下面分析工况一反复荷载作用下的测点的应力变化，工况一下G3、G4各个荷载步拉压状态相同，先施加拉力荷载，然后卸载，再反向施加压力荷载，再卸载，然后重复两次以上加载步骤。

由整理的试验数据和以上分析可知，试验测试的铸钢相贯节点的应力分布呈现区域性特点，即铸钢相贯节点管管倒角处应力较大，有明显的应力集中，其余区域应力值较小。

节点在工况一G3和G4均为拉力最大荷载时，整体应力水平较大，实测各杆件应力均不超过174MPa；节点在工况一G3和G4均为压力最大荷载时，整体应力水平较大，实测各杆件应力均不超过152MPa。

节点在工况二G4达到拉力最大荷载时，整体应力水平较小，实测各杆件应力均不超过128MPa；节点在工况二G4达到压力最大荷载时，整体应力水平较小，实测各杆件应力均不超过109MPa。

节点在两个工况试验荷载作用下，实测应力最大值为174MPa，位于节点与G1接长管的焊缝处，没有超过230MPa，说明结点一直在弹性范围内工作，没有发生材料的屈服。

结论

节点在两个工况下应力值的较大位置均出现在G1和G2与接长管的焊缝附近位置，而在节点的其它位置应力值较小，说明节点G1和G2接长管的位置为节点的薄弱环节，可以通过改善改处的受力性能而来提高铸钢节点的承载能力。