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不銹鋼網架焊接空心球網架結構節點承載力試驗研究

來源:http://www.dmtzoqap.cn/ 發布時間:2014-05-07 點擊次數:5886次



不銹鋼網架節點是網架結構的一個重要組成部分,不銹鋼網架作為一種多功能的新型結構形式,其節點必須做到受力合理、傳力明確、安全可靠。


   不銹鋼網架使用焊接空心球節點型式,構造簡單,造型美觀,連接方便,拋光之后視覺效果較好,其缺點是球體下料要將不銹鋼板切割成圓形,材料利用率低,影響經濟效益;同時,網架安裝中桿件與球體多需現場進行氬弧焊接,且仰焊立焊多,質量要求高,難度也大。


   螺栓球節點網架可以避免大量的現場焊接工作,安裝方便。但它的零部件種類較多、加工精度要求高。并且在不銹鋼網架中,鋼球、套筒、封板等零件均應選用不銹鋼材料,而螺栓、梢釘等則要使用相應的高強鋼材,由于不同型號鋼材化學成分的差異導致了電位差值,在連接中若不加處理有可能會產生電化腐蝕而危及結構安全。而不同鋼種接觸表面處理的復雜性又增加了制作費用,在一定程度上也限制了這種節點型式的推廣使用。


   本文推薦以焊接空心球節點型式作為不銹鋼網架優先考慮的節點型式。尤其在目前,不銹鋼網架的研究推廣工作剛剛起步,許多技術條件尚未完全成熟,選用這種較為簡便的節點型式無論在技術角度、安全角度、還是經濟角度都是合理的。本文還專門進行了這種節點的承載力試驗,為進行不銹鋼網架的設計提供了必要條件[3]。


   以下探討不銹鋼的有關焊接性能。奧氏體不銹鋼電阻率遠大于低碳鋼,焊接時焊條焊絲及焊接區的母材都比較容易受熱熔化,因此要用較小的焊接電流,并應盡可能使用較快的焊接速度;奧氏體不銹鋼的膨脹系數大約是低碳鋼的1.35倍,導熱系數約為低碳鋼的1/3,在焊接過程中受熱膨脹,冷卻時又產生較大的收縮變形和應力,易引起熱裂紋,所以焊接時必須選用合適的焊接工藝。通常不銹鋼網架鋼管壁厚在1.5~3mm,宜采用鎢極氬弧焊。焊接時應注意以下幾點:


   1、一般不對焊件預熱,在焊縫中,層間溫度應嚴格控制在≤150℃;


       2、反面成形的氣體保護焊,焊根側必須用還原氣或純氬保護;

   

          3、由于奧氏體不銹鋼收縮變形大,故在夾緊裝置與定位焊上應加強;  

   

          4、建議用超低碳不含穩化劑的填充材料,以防止晶界腐蝕;

   

          5、為確保焊接接頭的耐腐蝕性,其表面應呈光亮狀,殘渣、焊縫顏色等皆應去除[4]。

   

《網架結構設計與施工規程》(JGJ7-91)提供了普通低碳鋼焊接空心球節點的承載力計算公式,空心球受壓、受拉承載力設計值可分別按下列公式計算:

   1、受壓空心球                              (2)
   2、受拉空心球                                        (3)

式中為受壓空心球軸向壓力設計值,為受拉空心球軸向拉力設計值,單位均為N;D為空心球外徑,t為球壁厚,d為鋼管外徑,單位均為 mm;f為鋼材強度值(N/mm2);則為加肋時承載力提高系數,不加肋為1.0,受壓時加肋= 1.4,受拉時加肋= 1.1。


   不銹鋼空心球節點的承載力情況與低碳鋼空心球基本相似,只是其彈性模量E、強度f與普通低碳鋼有所區別。根據彈性力學理論,受壓空心球的破壞實質為局部失穩破壞,臨界應力與材料彈性模量成正比。不銹鋼的彈性模量與普通低碳鋼不同,故可對原公式修正后使用。按二者彈性模量的比值取修正系數0.85,乘入原規范公式右端,可得出不銹鋼焊接空心球受壓承載力設計值。而受拉空心球的破壞實質為局部剪切破壞,臨界應力只與強度值有關,故不銹鋼焊接空心球的受拉承載力公式可取與普通低碳鋼取相同形式,但應注意其中強度須采用不銹鋼設計強度值。


   以下是本文所做的不銹鋼焊接空心球節點承載力試驗研究。試件共有4組,每組均為3件,受壓受拉各兩組。試驗用不銹鋼空心球直徑為180mm,壁厚3mm,連接管件分別選用Φ50.8×1.5和Φ76.2×2.0高頻焊管,鋼材均為奧氏體不銹鋼 0Cr18Ni9,焊條與母材同材質。焊接方法為鎢極氬弧焊,焊道1-2層,焊接后對焊縫及球表面進行拋光處理。此試驗在天津大學土木系建材試驗室完成,所用試驗設備為 1000KN 萬能試驗機。試驗采取連續加載方式,在荷載值達到設計值時,暫停加載進行觀察2~3分鐘之后繼續加載,直至破壞。觀察試件破壞情形,受壓球節點均為局部失穩破壞,球體與管焊接處局部下陷,節點變形后喪失承載力;受拉球節點破壞情形多為連接鋼管拉斷,只有試件T23系因鋼球焊縫破壞而喪失承承載力。表1為不銹鋼焊接空心球節點理論承載力與試驗結果比較。


表1  不銹鋼焊接空心球節點理論承載力與試驗結果比較
試 件
編 號      球   管   尺   寸
         (mm) 管設計承
載力(KN) 球設計承
載力(KN) 破 壞 荷 載
 最小值(KN) 破 壞 荷 載
 平均值(KN) 安全
系數
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


     從比較結果看,按修正公式進行承載力設計,安全系數均可達1.63 以上。事實上試驗件提高加工制作精度、改進試驗方法后其承載力值還可進一步提高,因此在不銹鋼網架設計中按照前文所述的規范修正公式,或稍加折減來進行承載力計算是基本可行的



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