鑄鋁承托弓構件力學性能試驗與模擬

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【摘要】鑄鋁構件采用現(xiàn)場隨機取樣，制作成標準試件，進行鑄鋁構件拉伸力學性能、布氏硬度、化學成分分析試驗。試驗結果表明，鑄鋁構件抗拉強度偏低，斷后伸長率較小，材料具有脆性特征。根據(jù)試驗結果，采用數(shù)值模擬方法，在雪荷載作用下，模擬公交候車亭鑄鋁承托弓構件斷裂機理，理論計算與試驗結果吻合。研究結果為公交候車亭鑄鋁承托弓構件斷裂事故處理提供科學依據(jù)。

【關鍵詞】鑄鋁承托弓構件；力學性能；試驗研究；模擬分析

引言

工程結構中，鋁合金結構廣泛應用于網(wǎng)架結構和網(wǎng)殼結構等空間結構[1]。在鋁合金空間結構中，存在螺栓球、焊接空心球、焊接鋁板、鑄鋁等多種節(jié)點形式，其中鑄鋁節(jié)點因可實現(xiàn)工廠化整體澆鑄；節(jié)點設計靈活，不受節(jié)點位置、形狀和尺寸限制；嚴格限制雜質含量，材料塑性、韌性和可焊性良好等優(yōu)點[2]。袁煥鑫[3]研究鑄鋁構件足尺模型力學性能，采用有限元模型對試驗過程進行數(shù)值模擬，結果與試驗數(shù)據(jù)吻合良好。施剛、羅翠等[4,5]研究了新型鑄鋁節(jié)點在典型荷載作用下的強度和剛度并進行承載性能有限元非線性分析和鑄鋁節(jié)點應力集中系數(shù)和承載力建華設計公式，有限元分析結果表明，計算公式具有良好的適用性。文中通過試驗方法，研究鑄鋁構件的力學性能，并采用有限元軟件ANSYS進行建模分析，通過工程實例合肥市某路BRT公交站臺候車亭因雪荷載作用導致鑄鋁構件節(jié)點斷裂，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，進行公交站臺候車亭結構構件受力特征和斷裂機理研究。

1力學性能試驗

1.1試驗內容與方法

根據(jù)工程事故現(xiàn)場狀況，在已斷裂倒塌的兩個BRT公交站臺候車亭，隨機截取鑄鋁承托弓構件試樣，將鑄鋁管構件加工制作成標準試樣，進行力學性能試驗。

1.2試驗結果

1.2.1拉伸力學性能 隨機截取鑄鋁構件制作成標準試樣，采用CMT5105電子萬能試驗機進行拉伸試驗[6]，拉伸力學性能試驗結果如表2所示，試驗結果表明，試樣抗拉強度最小值為106MPa，斷后伸長率最大值1.5%。

1.2.2布氏硬度隨機選取2個現(xiàn)場斷裂鑄鋁構件，加工制作布氏硬度試件，采用HB-3000B型布氏硬度計進行布氏硬度試驗[7]，試驗結果見表3所示。試驗結果表明，構件試樣布氏硬度實測值范圍64.9~85.8HB。

1.2.3化學成分分析現(xiàn)場隨機選取4個斷裂鑄鋁構件，加工制作化學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定各試件的化學成分含量[8]，進行定量分析，試驗結果見表4所示。根據(jù)化學成分分析試驗結果表明該構件為鑄鋁材料構件，同時依據(jù)斷后伸長率和布氏硬度試驗結果，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)點受力復雜，文中采用彈塑性分析了解鑄鋁節(jié)點的受力性能。強度準則采用Vonmises屈服準則，彈塑性分析依據(jù)應力應變曲線建立相應的簡化模型。根據(jù)材料力學性能試驗結果，鑄鋁材料受拉應力-應變關系全曲線模型如圖1所示。

2.2計算模型

采用ANSYS有限元分析軟件，有限元模型采用Solid92實體單元，單元節(jié)點3個自由度。Solid92單元計算鑄鋁承托弓節(jié)點模型的應變、應力問題具有較好的適應性[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，其中對于靠接鑄鋁承托弓節(jié)點加強網(wǎng)格密度，遠離節(jié)點采用粗網(wǎng)格映射劃分。建立BRT公交站臺候車亭有限元模型和鑄鋁承托弓構件有限元模型，分別如圖2、圖3所示。

2.3荷載與邊界條件

候車亭頂面活荷載[11]：對雪荷載敏感的結構，基本雪壓按100年重現(xiàn)期，雪荷載標準值sk=μrs0=1.0×0.7kN/m2=0.7kN/m2；按圍護結構計算，風荷載標準值wk=βgzμslμzw0=1.00×1.25×（-2）×0.35kN/m2=0.875kN/m2。邊界條件：假定鑄鋁承托弓構件支座節(jié)點為全位移約束。

2.4計算結果與分析

根據(jù)力學性能試驗和化學成分分析表明鑄鋁承托弓構件具有脆性材料特性，模擬計算時強度計算采用第一強度理論。候車亭和鑄鋁承托弓構件數(shù)值模擬計算結果如圖4~圖7所示。鑄鋁承托弓構件第一主應力峰值為135MPa，位于其結構支座端部，其中2號試樣實測抗拉強度大于理論計算值，原因在于邊界條件假定，荷載取值等數(shù)值模擬計算參數(shù)設置存在一定誤差。Y方向最大位移為9.933mm，位移較小。除2號試樣外，計算峰值均高于抗拉強度實測值，理論上結構產(chǎn)生斷裂破壞，實際支座處產(chǎn)生斷裂位置、形態(tài)與理論計算結果吻合。

3結語

（1）鑄鋁構件拉伸力學性能試驗結果表明，抗拉強度實測值為106~145MPa，材料強度較低，布氏硬度實測值為64.9~85.8HB，斷后伸長率較小，并依據(jù)化學成分分析結果，鑄鋁承托弓構件具有脆性材料特性。（2）依據(jù)理論計算結果，并與力學性能實測值對比，計算峰值高于抗拉強度實測值，工程事故實際構件斷裂位置、形態(tài)一致，與理論計算結果吻合。（3）通過理論計算分析，得出工程事故產(chǎn)生的構件斷裂機理，為工程科學決策提供依據(jù)。

參考文獻

［1］沈祖炎，郭小農(nóng)，李元齊.鋁合金結構研究現(xiàn)狀簡述［J］.建筑結構學報，2007,28（6）:100-109.

［2］羅翠，王元清，石永久，等.鑄鋁節(jié)點在鋁合金空間結構中的應用研究［C］//中國鋼結構協(xié)會結構穩(wěn)定與疲勞分會2008年學術交流會論文集,2008.

［3］袁煥鑫.點支式玻璃建筑中鑄鋁支承件承載性能研究［D］.武漢:華中科技大學,2009.

［4］施剛，羅翠，王元清，等.鋁合金網(wǎng)殼結構中新型鑄鋁節(jié)點承載力設計方法研究［J］.空間結構,2012,18（1）:78-84.

［5］羅翠，王元清，石永久,等.網(wǎng)殼結構中鑄鋁節(jié)點承載性能的非線性分析［J］.建筑科學,2010,26（5）:57-61.

［6］鋼鐵研究總院，濟南試金集團有限公司,等.金屬材料拉伸試驗:GB/T228.1-2010［S］.北京:中國標準出版社,2010.

［7］鋼鐵研究總院,冶金工業(yè)信息標準研究院，等.金屬材料布氏硬度試驗:GB/T231.1-2018［S］.北京:中國標準出版社,2018.

［8］東北輕合金有限責任公司，有色金屬技術經(jīng)濟研究院.鋁及鋁合金光電直讀發(fā)射光譜分析方法:GB/T7999-2015［S］.北京:中國標準出版社,2015.

［9］曲淑英.材料力學［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011.

［10］王勖成.有限單元法［M］.北京：清華大學出版社,2013.

［11］中國建筑科學研究院.建筑結構荷載規(guī)范:GB50009-2012［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.

作者：汪秀石 伍敏 杜明淮 賈賢安 單位：安徽省建院工程質量檢測有限公司