鑄鋁承托弓構(gòu)件力學(xué)性能試驗(yàn)與模擬

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【摘要】鑄鋁構(gòu)件采用現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)取樣，制作成標(biāo)準(zhǔn)試件，進(jìn)行鑄鋁構(gòu)件拉伸力學(xué)性能、布氏硬度、化學(xué)成分分析試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，鑄鋁構(gòu)件抗拉強(qiáng)度偏低，斷后伸長(zhǎng)率較小，材料具有脆性特征。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，采用數(shù)值模擬方法，在雪荷載作用下，模擬公交候車(chē)亭鑄鋁承托弓構(gòu)件斷裂機(jī)理，理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果吻合。研究結(jié)果為公交候車(chē)亭鑄鋁承托弓構(gòu)件斷裂事故處理提供科學(xué)依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】鑄鋁承托弓構(gòu)件；力學(xué)性能；試驗(yàn)研究；模擬分析

引言

工程結(jié)構(gòu)中，鋁合金結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)等空間結(jié)構(gòu)[1]。在鋁合金空間結(jié)構(gòu)中，存在螺栓球、焊接空心球、焊接鋁板、鑄鋁等多種節(jié)點(diǎn)形式，其中鑄鋁節(jié)點(diǎn)因可實(shí)現(xiàn)工廠化整體澆鑄；節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)靈活，不受節(jié)點(diǎn)位置、形狀和尺寸限制；嚴(yán)格限制雜質(zhì)含量，材料塑性、韌性和可焊性良好等優(yōu)點(diǎn)[2]。袁煥鑫[3]研究鑄鋁構(gòu)件足尺模型力學(xué)性能，采用有限元模型對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。施剛、羅翠等[4,5]研究了新型鑄鋁節(jié)點(diǎn)在典型荷載作用下的強(qiáng)度和剛度并進(jìn)行承載性能有限元非線性分析和鑄鋁節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)和承載力建華設(shè)計(jì)公式，有限元分析結(jié)果表明，計(jì)算公式具有良好的適用性。文中通過(guò)試驗(yàn)方法，研究鑄鋁構(gòu)件的力學(xué)性能，并采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行建模分析，通過(guò)工程實(shí)例合肥市某路BRT公交站臺(tái)候車(chē)亭因雪荷載作用導(dǎo)致鑄鋁構(gòu)件節(jié)點(diǎn)斷裂，造成工程重大安全事故為研究背景。為分析事故產(chǎn)生原因，進(jìn)行公交站臺(tái)候車(chē)亭結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力特征和斷裂機(jī)理研究。

1力學(xué)性能試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)內(nèi)容與方法

根據(jù)工程事故現(xiàn)場(chǎng)狀況，在已斷裂倒塌的兩個(gè)BRT公交站臺(tái)候車(chē)亭，隨機(jī)截取鑄鋁承托弓構(gòu)件試樣，將鑄鋁管構(gòu)件加工制作成標(biāo)準(zhǔn)試樣，進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。

1.2試驗(yàn)結(jié)果

1.2.1拉伸力學(xué)性能 隨機(jī)截取鑄鋁構(gòu)件制作成標(biāo)準(zhǔn)試樣，采用CMT5105電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)[6]，拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，試驗(yàn)結(jié)果表明，試樣抗拉強(qiáng)度最小值為106MPa，斷后伸長(zhǎng)率最大值1.5%。

1.2.2布氏硬度隨機(jī)選取2個(gè)現(xiàn)場(chǎng)斷裂鑄鋁構(gòu)件，加工制作布氏硬度試件，采用HB-3000B型布氏硬度計(jì)進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)[7]，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，構(gòu)件試樣布氏硬度實(shí)測(cè)值范圍64.9~85.8HB。

1.2.3化學(xué)成分分析現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)選取4個(gè)斷裂鑄鋁構(gòu)件，加工制作化學(xué)成分火花光譜分析試件，采用GNRMetal-Lab75/80精密真空火花直讀光譜儀測(cè)定各試件的化學(xué)成分含量[8]，進(jìn)行定量分析，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4所示。根據(jù)化學(xué)成分分析試驗(yàn)結(jié)果表明該構(gòu)件為鑄鋁材料構(gòu)件，同時(shí)依據(jù)斷后伸長(zhǎng)率和布氏硬度試驗(yàn)結(jié)果，該材料為脆性材料[9]。

2數(shù)值模擬分析

2.1鑄鋁材料特性

鑄鋁承托弓節(jié)點(diǎn)受力復(fù)雜，文中采用彈塑性分析了解鑄鋁節(jié)點(diǎn)的受力性能。強(qiáng)度準(zhǔn)則采用Vonmises屈服準(zhǔn)則，彈塑性分析依據(jù)應(yīng)力應(yīng)變曲線建立相應(yīng)的簡(jiǎn)化模型。根據(jù)材料力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果，鑄鋁材料受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系全曲線模型如圖1所示。

2.2計(jì)算模型

采用ANSYS有限元分析軟件，有限元模型采用Solid92實(shí)體單元，單元節(jié)點(diǎn)3個(gè)自由度。Solid92單元計(jì)算鑄鋁承托弓節(jié)點(diǎn)模型的應(yīng)變、應(yīng)力問(wèn)題具有較好的適應(yīng)性[10]。有限元模型采用映射網(wǎng)格和自由網(wǎng)格劃分兩種形式，其中對(duì)于靠接鑄鋁承托弓節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)網(wǎng)格密度，遠(yuǎn)離節(jié)點(diǎn)采用粗網(wǎng)格映射劃分。建立BRT公交站臺(tái)候車(chē)亭有限元模型和鑄鋁承托弓構(gòu)件有限元模型，分別如圖2、圖3所示。

2.3荷載與邊界條件

候車(chē)亭頂面活荷載[11]：對(duì)雪荷載敏感的結(jié)構(gòu)，基本雪壓按100年重現(xiàn)期，雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值sk=μrs0=1.0×0.7kN/m2=0.7kN/m2；按圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值wk=βgzμslμzw0=1.00×1.25×（-2）×0.35kN/m2=0.875kN/m2。邊界條件：假定鑄鋁承托弓構(gòu)件支座節(jié)點(diǎn)為全位移約束。

2.4計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)力學(xué)性能試驗(yàn)和化學(xué)成分分析表明鑄鋁承托弓構(gòu)件具有脆性材料特性，模擬計(jì)算時(shí)強(qiáng)度計(jì)算采用第一強(qiáng)度理論。候車(chē)亭和鑄鋁承托弓構(gòu)件數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果如圖4~圖7所示。鑄鋁承托弓構(gòu)件第一主應(yīng)力峰值為135MPa，位于其結(jié)構(gòu)支座端部，其中2號(hào)試樣實(shí)測(cè)抗拉強(qiáng)度大于理論計(jì)算值，原因在于邊界條件假定，荷載取值等數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)設(shè)置存在一定誤差。Y方向最大位移為9.933mm，位移較小。除2號(hào)試樣外，計(jì)算峰值均高于抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)值，理論上結(jié)構(gòu)產(chǎn)生斷裂破壞，實(shí)際支座處產(chǎn)生斷裂位置、形態(tài)與理論計(jì)算結(jié)果吻合。

3結(jié)語(yǔ)

（1）鑄鋁構(gòu)件拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表明，抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)值為106~145MPa，材料強(qiáng)度較低，布氏硬度實(shí)測(cè)值為64.9~85.8HB，斷后伸長(zhǎng)率較小，并依據(jù)化學(xué)成分分析結(jié)果，鑄鋁承托弓構(gòu)件具有脆性材料特性。（2）依據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，并與力學(xué)性能實(shí)測(cè)值對(duì)比，計(jì)算峰值高于抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)值，工程事故實(shí)際構(gòu)件斷裂位置、形態(tài)一致，與理論計(jì)算結(jié)果吻合。（3）通過(guò)理論計(jì)算分析，得出工程事故產(chǎn)生的構(gòu)件斷裂機(jī)理，為工程科學(xué)決策提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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作者：汪秀石 伍敏 杜明淮 賈賢安 單位：安徽省建院工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司