轴心受压高强钢变截面格构柱稳定承载性能研究

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Abstract：The initial measurement for geometrical defects is performed for high-strength steel variable cross-sectionlatice column.in order to figure out the distribution mode of geometrical defects and mimum defect value for the compo-nent，with the limit bearing capacity test for high-strength steel latice column.The stable limit bearing capacity，failuremechanism，and deformation process are researched under the condition that both ends of the lattice column is in articulatedconstraint and axial compression.Given the test research result.its showed the accuracy and efectiveness of limit bearinganalysis for high-strength steel latice column with non-linear finite element value analysis method is verified。

Keywords：high-strength steel；lattice column；finite element bearing capacity test；initial geometrical defect；non-linear finite element0 前 言随着高强钢格构柱在工程起重机械中越来越广泛的应用，高强钢结构的设计，尤其是大型空间格构式结构的稳定承载问题，包括结构整体和单个构件的稳定极限承载性能，成为目前亟需研究和解决的问题。由于格构式构件结构复杂，超静定的次数太高，难以进行手工计算，杆件连接处的刚度及相互影响难以确定，很难找到合理的简化模型l1]，传统的关于格构式构件临界载荷的确定方法是将格构式构件简化为实腹式构件，同时考虑剪切变形的影响并将其反应在换算长细比中，通过换算长细比以计算结构的临界载荷 。

而对于变截面格构式构件，则通过将变截面柱视为等截面形式，该等截面柱的截面为变截面柱的最胸面，通过引入修正系数来反应截面变化对构件承载能力增加的效果 J。

湖南省自然科学基金资助项目 (10JJ4028)- 52 - 本文针对高强钢变截面格构柱行了稳定极限承载力试验和数值分析的研究，引入实际测量得到初始几何缺陷模态，通过非线性有限元法直接考虑各种非线性因素的影响，计算构件的整体极限承载力，通过对构件平衡路径的全过程跟踪，得到临界载荷屈曲性能，以验证有限元数值分析方法的准确性和有效性。

1 试验研究1.1 试件设计试验设计了 1个阶梯型变截面形式的格构柱试件 (编号：BJM-1)，其主弦杆和腹杆均为高强钢无缝钢管，材料标称屈服强度为 590 MPa，试件长度 10 m，主弦杆 1的规格为 676 X 5，腹杆 1的规格为630×2.5，主弦杆 2的规格为 676 X 4，腹杆2的规格为30×2.5，变截面结构形式如图 1所示。

《起重运输机械》 2013(1)图4 位移计测点布置图1.4 加载方案试验采用单调分级加载，直到格构柱试件破坏，取构件的最大荷载为极限荷载。根据有限元预估极限荷载，确定构件的加载级别，在起始阶段加载约 50 kN大小的载荷，以消除构件与装置间的间隙，并根据构件 3个截面处的应力结果，对构件进行对中，此阶段需往复进行多次。待构件对中良好，即可进行正式试验，开始阶段载荷等级跨度较大，每级载荷保压时间较短，在接近极限载荷时，采用较细的载荷等级，每级载荷保压2～3 min，待构件充分变形后记录相应数据，当加载出现载荷不再继续上升反而下降，且变形急剧增大时，便可确定此时构件已处于失稳状态，以此载荷为构件的极限承载力。

1.5 试验现象描述在加载的初始阶段，格构柱试件的轴向位移、横向位移和应变均呈线性增长趋势；当临近构件的极限载荷时，每加-级载荷，构件变形趋于稳定的时间会更长，当构件发生弯曲失稳后，应变和位移均快速增长，而载- l二：～-lu8-～1～ 1611z1柩形数据较为理想，其变形从开始直到屈曲破坏始终保持为近似单波形，变截面格构柱试件的破坏位置在焊接处靠近弱侧位置，在接近极限载荷时，构件突然失稳破坏，变形急剧增大。

盆 L I I：[ 早 ～ T - -- ；；：～ ～ J . - ： 多、 - 1 / 。/--，q 、～ -] - 下 / /-- -- -：，： /、 二、.-.： /1-- T4002000008006004002000 0 kN 195 kN， 396 kN- 581 kN 819 kN-4 926 kN 1 119 kN- .-1 190 kN 1 25l kN- r 1 278 kN1 000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000 7 000 8 000 9 000 10 000轴向距离/mm图5 格构柱试件变形过程-， -- ，l， -l/0 2 4 6 8 10 12 14位移/n1m荷却开始下降；卸载后，构件变形会得到-定程度的恢复。从实际情况看，构件发生失稳破坏的截面在焊接处主弦较细的-侧，破坏形式表现为整体弯曲失稳。

2 试验结果分析与处理2.1 试件变形特征试验过程中格构柱试件的弯曲形状及变形过程如图5所示。从图中可以看出，采集的构件变- 54 - 1 4001 2001 000Z 80060。。0200O 1. j Jrr》，0 2 4 6 8 l0 12 14位移]mm(a)构件跨中截面位置 (b)构件焊接连接截面位置图6 格构柱试件典型截面处的载荷 -横向位移曲线图6分别给了格构柱试件跨 中截面及焊接连接位置 2处的载荷 -横向位移曲线。从图中可以看出，构件在失稳破坏前横向位移较小，到达极限载荷后，构件发生失稳破坏，挠度突然增大。

图 7给出了格构柱试件在轴压过程中的载荷 -轴向位移曲线。从图中可以看出，在构件失稳前，构件的轴向位移随着载荷的增加成线性增加，到达极限载荷时，载荷急剧下降，此时由于构件发生突然破坏，位移计脱离试件，导致构件破坏后测得的位移试验数据失真。

《起重运输机械》 2013(1)堇握 攥 ，/ ， ◆/ 2.2 典型截面处应力分布为详细 了解构件 变形 过程 中的应力变 化，在构件端板 、典型截面主弦杆、腹杆 、典型节点 、承力架拉杆 等位 置贴有 18个应变花 、37个应变片 ，各位 置 的应力变 化过程 如 图 8所示 。从图中可以看出 ，主弦杆截 面上的应力随着载荷的增加线性增大 ，因构件的初始缺陷及构件对 中的影响 ，4根弦杆上 的应力均匀性略有差别 ，4根承力架拉杆的应力均匀性基本符合要求 。当所加载荷载接近极 限载荷 时，桁架结构 4根弦杆处 的应力表现为-端继续增大 ，- 端减小的趋势 ，由此 即可判断出构件的弯曲方 向 。

逛赫奠魁- ‰- l 4001 2001 000Z 200O应力/MPaI -蔗q 躐 、000 -800 -600 -400 -200 0应力/MPa11Z 1挺Z避3 数值分析及试验结果的对 比3.1 数值分析采用非线性有限元方法对高强钢变截面格构柱进行极限承载性能计算分析，以试验测试的初始几何缺陷数据为依据建立反映实际缺陷的格构柱几何模型。在有限元数值计算中，采用理想的弹塑性双线性材料模型，材料屈服强度取其材性试验测试值为750 MPa，材料弹性模量和泊松比分别取为E206 GPa和 0.3，同时考虑构件试验中存在的初始偏心、构件 自重及残余应力等因素的影响，通过考虑横向剪切变形的 Timoshenko梁单元建立格构柱构件的非线性有限元分析模型。

采用修正的 Riks弧长法 对构件有限元模型进行非线性屈曲分析，求出构件的临界载荷并认为该载荷就是该构件的最小临界计算载荷。

3.2 数值分析及试验结果的对比表2给出了格构柱试件的试验极限载荷和实际缺陷模型的有限元数值分析结果的对比。

表 2 数值分析及试验极限载荷的对比试验载N]/kN 计算载j：/kN 相对误差 破坏模式小端截面靠近 1 405 1 4523.3% 焊接分段处日 0稚' - J-l辩 、 -(a)左 中截面主弦杆 (b)跨中截面主弦杆(C)变截面处主弦杆 (d)右中截面主弦杆图8 构件典型截面处的载荷-应力曲线《起重运输机械》 2013 (1)从表2中可以看出，有限元数值分析结果与试验结果相比，二者极限载荷相差较小，相对误差为 3.3%，构件失稳破坏发生的截面位置也基本吻合，说明采用实际缺陷模型对高强钢格构柱进行极限承载力的有限元分析计算是准确和有效的。

4 结论1)通过对高强钢变截面格构柱进行初始几何缺陷测量得到格构柱的几何缺陷分布模态大致成半正弦曲线分布，最大缺陷值不大于 1 000(L为构件长度)。

2)进行了阶梯型变截面格构柱的破坏性稳定试验，得到格构柱的极限承载力，试验研究表明，构件发生- 55 - ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞6 4 2 O 8 6 4 2 细长型桁架起重臂卸载冲击动力学研究付 玲 喻乐康 刘 洋 李莹松 张 劲中联重科股份有限公司建设机械国家重点实验室 长沙 410013摘 要：根据某型动臂塔式起重机的细长型起重臂结构特点 ，采用多体动力学方法 ，建立 了刚柔耦合模型，对大仰角 、最大吊重突然卸载进行了动力学仿真计算 ，获得了起重机在冲击载荷作用下的系统动态响应，建立了吊重与缓冲器缓冲力之间的近似关系，并对冲击作用下起重臂弹性振动产生的惯性力进行分析，探讨 了惯性载荷对整机结构强度的影响，为细长桁架臂的结构设计提供参考。

关键词：动臂塔式起重机；多体动力学 ；防后倾；卸载中图分类号：TH213.3 文献标识码：A 文章编号：1001-0785(2013)01-0056-05Abstract：Based on structure characteristics of the slender crane boom for certain tower crane with lufing boom，themulti-body dynamic method is used to build the rigid-flexible coupling mode1.The dynamic simulation calculation is performed forsudden unloading of high elevation angle and maximum load，working out the system dynamic response of cranes under the impactload.Th e approximate relation between hoisting load and buffering force of the bufer is established for analysis of the inertia forcegenerated by elastic vibration of the boom under the action of impact.Furthermore，the efect of inertia load on the whole-machinestructural strength is discussed.The paper provides reference for structural design of slender truss boom。

Keywords：tower crane with lufing boom；multi-body dynamics；anti-back-tipping；unloading0 前言动臂塔式起重机 (以下简称动臂塔机)依靠变幅系统改变起重臂仰角实现变幅，变幅系统通过自身变形提供拉力以平衡起重臂吊重；随着重物起吊，起重机内储存的弹性势能逐渐增加；在极限大角度下若发生钢丝绳断裂或吊钩脱落等意外情况，储存在起重机中的势能瞬间释放，起重臂将发生剧烈反弹。防后倾缓冲装置用于增加起重臂反弹向后倾覆运动过程中的安全性 。

传统防倾覆设计计算是根据起重机设计规范，对起重臂进行研究，将突然卸载向上冲击载荷定义为吊重的0.2倍 ，采用力矩平衡计算所受到缓冲力的大小 ；现有防倾覆设计计算通常采用多体动力学计算方法，建立起重机和缓冲器耦合的多体动力学模型，通过软件模拟突然卸载时起重机的动态响应 j。这 2种方法均将起重机整体稳定性作为动力学优化 目标，而对起重臂关键结构强失稳破坏的截面在焊接处主弦较细的-侧，破坏形式表现为整体弯曲失稳。

3)以试验测试的初始几何缺陷数据为依据，采用非线性有限元分析方法建立了考虑各种非线性因素影响的格构柱实际缺陷模型，通过比较试验结果与有限元数值计算结果，验证了采用非线性有限元数值分析方法进行高强钢格构柱极限承载分析的准确性和有效性，为此类结构的安全和可靠设计提供理论依据。