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不锈钢网架焊接空心球网架结构节点承载力试验研究

来源:http://www.hhssgroup.com/ 发布时间:2014-05-07 点击次数:4833次



不锈钢网架节点是网架结构的一个重要组成部分,不锈钢网架作为一种多功能的新型结构形式,其节点必须做到受力合理、传力明确、安全可靠。


   不锈钢网架使用焊接空心球节点型式,构造简单,造型美观,连接方便,抛光之后视觉效果较好,其缺点是球体下料要将不锈钢板切割成圆形,材料利用率低,影响经济效益;同时,网架安装中杆件与球体多需现场进行氩弧焊接,且仰焊立焊多,质量要求高,难度也大。


   螺栓球节点网架可以避免大量的现场焊接工作,安装方便。但它的零部件种类较多、加工精度要求高。并且在不锈钢网架中,钢球、套筒、封板等零件均应选用不锈钢材料,而螺栓、梢钉等则要使用相应的高强钢材,由于不同型号钢材化学成分的差异导致了电位差值,在连接中若不加处理有可能会产生电化腐蚀而危及结构安全。而不同钢种接触表面处理的复杂性又增加了制作费用,在一定程度上也限制了这种节点型式的推广使用。


   本文推荐以焊接空心球节点型式作为不锈钢网架优先考虑的节点型式。尤其在目前,不锈钢网架的研究推广工作刚刚起步,许多技术条件尚未完全成熟,选用这种较为简便的节点型式无论在技术角度、安全角度、还是经济角度都是合理的。本文还专门进行了这种节点的承载力试验,为进行不锈钢网架的设计提供了必要条件[3]。


   以下探讨不锈钢的有关焊接性能。奥氏体不锈钢电阻率远大于低碳钢,焊接时焊条焊丝及焊接区的母材都比较容易受热熔化,因此要用较小的焊接电流,并应尽可能使用较快的焊接速度;奥氏体不锈钢的膨胀系数大约是低碳钢的1.35倍,导热系数约为低碳钢的1/3,在焊接过程中受热膨胀,冷却时又产生较大的收缩变形和应力,易引起热裂纹,所以焊接时必须选用合适的焊接工艺。通常不锈钢网架钢管壁厚在1.5~3mm,宜采用钨极氩弧焊。焊接时应注意以下几点:


   1、一般不对焊件预热,在焊缝中,层间温度应严格控制在≤150℃;


       2、反面成形的气体保护焊,焊根侧必须用还原气或纯氩保护;

   

          3、由于奥氏体不锈钢收缩变形大,故在夹紧装置与定位焊上应加强;  

   

          4、建议用超低碳不含稳化剂的填充材料,以防止晶界腐蚀;

   

          5、为确保焊接接头的耐腐蚀性,其表面应呈光亮状,残渣、焊缝颜色等皆应去除[4]。

   

《网架结构设计与施工规程》(JGJ7-91)提供了普通低碳钢焊接空心球节点的承载力计算公式,空心球受压、受拉承载力设计值可分别按下列公式计算:

   1、受压空心球                              (2)
   2、受拉空心球                                        (3)

式中为受压空心球轴向压力设计值,为受拉空心球轴向拉力设计值,单位均为N;D为空心球外径,t为球壁厚,d为钢管外径,单位均为 mm;f为钢材强度值(N/mm2);则为加肋时承载力提高系数,不加肋为1.0,受压时加肋= 1.4,受拉时加肋= 1.1。


   不锈钢空心球节点的承载力情况与低碳钢空心球基本相似,只是其弹性模量E、强度f与普通低碳钢有所区别。根据弹性力学理论,受压空心球的破坏实质为局部失稳破坏,临界应力与材料弹性模量成正比。不锈钢的弹性模量与普通低碳钢不同,故可对原公式修正后使用。按二者弹性模量的比值取修正系数0.85,乘入原规范公式右端,可得出不锈钢焊接空心球受压承载力设计值。而受拉空心球的破坏实质为局部剪切破坏,临界应力只与强度值有关,故不锈钢焊接空心球的受拉承载力公式可取与普通低碳钢取相同形式,但应注意其中强度须采用不锈钢设计强度值。


   以下是本文所做的不锈钢焊接空心球节点承载力试验研究。试件共有4组,每组均为3件,受压受拉各两组。试验用不锈钢空心球直径为180mm,壁厚3mm,连接管件分别选用Φ50.8×1.5和Φ76.2×2.0高频焊管,钢材均为奥氏体不锈钢 0Cr18Ni9,焊条与母材同材质。焊接方法为钨极氩弧焊,焊道1-2层,焊接后对焊缝及球表面进行抛光处理。此试验在天津大学土木系建材试验室完成,所用试验设备为 1000KN 万能试验机。试验采取连续加载方式,在荷载值达到设计值时,暂停加载进行观察2~3分钟之后继续加载,直至破坏。观察试件破坏情形,受压球节点均为局部失稳破坏,球体与管焊接处局部下陷,节点变形后丧失承载力;受拉球节点破坏情形多为连接钢管拉断,只有试件T23系因钢球焊缝破坏而丧失承承载力。表1为不锈钢焊接空心球节点理论承载力与试验结果比较。


表1  不锈钢焊接空心球节点理论承载力与试验结果比较
试 件
编 号      球   管   尺   寸
         (mm) 管设计承
载力(KN) 球设计承
载力(KN) 破 坏 荷 载
 最小值(KN) 破 坏 荷 载
 平均值(KN) 安全
系数
N11,N12,N13  Φ 180×3—Φ 50.8×1.5 46.8 47.4 76.4   79.7 1.63
N21,N22,N23 Φ 180×3—Φ 76.2×2.0 94.1 72.9 128.4  130.7  1.76 
T11,T12,T13 Φ 180×3—Φ 50.8×1.5 46.8 53.1 122.0 140.8 2.61

T21,T22,T23 Φ 180×3—Φ 76.2×2.0 94.1 80.9 153.0  171.0 1.89


     从比较结果看,按修正公式进行承载力设计,安全系数均可达1.63 以上。事实上试验件提高加工制作精度、改进试验方法后其承载力值还可进一步提高,因此在不锈钢网架设计中按照前文所述的规范修正公式,或稍加折减来进行承载力计算是基本可行的



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