国家高山滑雪中心“十”字鼓节点研究与分析

王晓科 张海礁 柯旺 官翔宇 孟阳 王向远

1.概况

1.1 项目简介

国家高山滑雪中心第一标段项目位于北京市延庆区小海坨山南麓区域。项目所处地形复杂多变、极为复杂，对钢结构的性能强度提出了很高的要求。不宜采用增加钢结构数量的方式来增加结构强度。选用十字“V”型斜柱节点实现钢柱与钢梁的连接。

1.2 十字“V”型斜柱节点形式

国家高山滑雪中心第一标段十字“V”型斜柱节点的主要设计思路是以十字型钢柱为核心承重柱，在钢梁接口处采用异型钢板焊接形成异型焊接螺栓节点，具体形式如图1所示。使用的钢材牌号为Q355NH-D焊接耐候钢，钢材设计强度290MPa，屈服强度355MPa。计算简化模型见图2。

2.试验概况

2.1 加载装置

反力架采用大吨位球形反力架；其内部净空直径为6m，最大承载力为3000t，可以在360°空间满足任一方向试验加载的要求，是国内尺寸和加载吨位最大的球形反力装置。其中压力通过千斤顶直接加载，拉力通过张拉工装系统进行施加构健康监测系统和高清网络球机，可实现试验全过程的远程实时监控和监测。

图1 节点形式图

2.2 加载方案及测点布置

在实际施加荷载时，不可能在所有杆件端部均设置千斤顶，故不能完全模拟内力设计值中的所有内力。因此，本试验将实际结构中的下层柱（即2号杆件单元）作为固定端，以构件较大的轴力与弯矩为主，忽略较小的剪力和弯矩；杆端弯矩通过轴力偏心和剪力来施加。选取节点最不利组合内力计算得到加载时的试验荷载（2倍），得到实际试验加载荷载（2倍）[1]。

本试验中试验荷载为设计荷载的2倍。加载时，各个加载段同步进行加载，试验荷载采用分级加载，由0至最大加载力均分为20级，每级荷载稳压2min后读取应变片、位移计的读数，直至加载破坏或达到最大加载力，此时稳压3min后卸载。

图2 计算模型简化图

根据试验前ABAQUS有限元模拟结果，试验过程中应利用应变片测量各杆件外表面应变和节点中心域应力集中区的应变。杆件外表面的应变片采用单向应变片，于受压梁（4、5号梁）距离端板500mm处工字型截面的上下翼缘距边缘20mm处布置4个应变片；于受拉梁（3、6号梁）距离端板300mm处工字型截面的上下连接板距边缘20mm处布置4个应变片；于上下柱距离端板300mm处十字型截面的四肢距肢端10mm处布置4个应变片。共计24个应变片。

节点域应变片采用应变花，上下节点板分别在各梁接合处内伸700mm处设置应变花，共计8个。四块横向腹板分别在其两端内伸100mm处设置应变花，共计8个。

试验过程中在节点中心区域设置三向位移计，用于监测节点中心位移。在1号柱，4、5（即两个压力梁）号梁的杆件端部设置位移计，用于监测杆端位移，其中每个杆端布置两个位移计，方向分别为杆件轴向和垂直轴向，贴合于端板上。3、6号梁的杆件端部仅设置竖向位移计，贴合于端板上。

3.试验结果分析

3.1 试验现象

本试验加载方案为1到20级逐级加载。当荷载从第1级增加至第20级，即达到2.0倍荷载设计值时，试件均未出现任何明显的变形位移，也未发出任何明显响声。随着荷载分级增加，各杆件的应变逐步增加，6根加载杆件的应变均小于屈服应变εy，都处于弹性范围内。接下来进行卸载，在大约5min内，荷载缓慢卸至零。卸载后观察试件发现，节点域未发生明显变形，各根杆件也均未发生明显变形，高强螺栓节点位置没有明显移动，关键焊缝处也没有明显裂纹[2]。

3.2 荷载-应变/位移曲线

1～6号杆件的荷载级数-应变曲线近似，随着荷载分级增加，初期应变线性增加，轴向压力产生的应力占主要部分，而轴力偏心使杆件端部2个应变片显示拉应变，另两个显示压应变。测量截面加载至第20级荷载（2.0倍荷载设计值）时应变曲线均处于弹性范围内。

节点域应力集中部位的应变随着荷载级数的变化曲线可以看出，节点域应力集中区各测点应变随荷载级数增加均呈线性增加，从应变花整体数据来看，节点中心的应力相当小，应变均处于0～150με 范围内，应力集中现象并不特别明显，节点域仍处于弹性范围内。

各杆件端部各方向位移，以及节点域中心位移随着荷载级数的变化曲线。横轴为位移计的读数，纵轴为荷载级数。节点各杆件的绝对位移较小，均不足12mm；其中节点中心的水平向位移1.83mm，竖向位移1.74mm，表明节点整体变形很小。

4.有限元分析

4.1 有限元模型

本节采用通用有限元软件ABAQUS对试验荷载下的节点进行数值分析。有限元模型选用四面体C3D10单元。有限元模型中本构关系采用双折线模型。钢材牌号为Q355NH-D焊接耐候钢，材料弹性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3，根据规范GB/T4171-2008《耐候结构钢》可知，取fy=355MPa，fu=700MPa。

4.2 有限元计算结果及与试验结果的比较

试验荷载下有限元模型的计算结果显示。在试验荷载下，节点大部分区域Mises应力极小，小于5MPa，杆件和节点域连接处的应力集中区域应力稍大，最大达到了274MPa，下柱和节点域下翼缘板的交界处在极小的区域内存在较大的应力集中现象。此时节点的中心位移约为2.70mm。

试验现象与有限元分析结果进行对比，从0级加载到20级荷载，再完全卸载的过程中，节点域始终未发生明显变形，各根杆件也均未发生明显变形，高强螺栓节点位置没有明显移动，，与有限元分析结果中节点中心域和各杆件没有任何塑性应变，完全在弹性范围内，且弹性最大主应变极小的结果吻合。

5.结论

国家高山滑雪中心第一标段十字“V”型斜柱节点在荷载达到第20级试验荷载时，节点无明显变形。节点域和所有杆件均处于弹性状态，最大应变低于屈服应变。卸载完成后，试件没有明显的变形，节点域完好无损。整个加/卸载试验过程中，节点域始终未发生明显变形，各根杆件也均未发生明显变形，高强螺栓节点位置没有明显移动，关键焊缝处也没有明显裂纹。