铸铝承托弓构件力学性能试验与模拟

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【摘要】铸铝构件采用现场随机取样，制作成标准试件，进行铸铝构件拉伸力学性能、布氏硬度、化学成分分析试验。试验结果表明，铸铝构件抗拉强度偏低，断后伸长率较小，材料具有脆性特征。根据试验结果，采用数值模拟方法，在雪荷载作用下，模拟公交候车亭铸铝承托弓构件断裂机理，理论计算与试验结果吻合。研究结果为公交候车亭铸铝承托弓构件断裂事故处理提供科学依据。

【关键词】铸铝承托弓构件；力学性能；试验研究；模拟分析

引言

工程结构中，铝合金结构广泛应用于网架结构和网壳结构等空间结构[1]。在铝合金空间结构中，存在螺栓球、焊接空心球、焊接铝板、铸铝等多种节点形式，其中铸铝节点因可实现工厂化整体浇铸；节点设计灵活，不受节点位置、形状和尺寸限制；严格限制杂质含量，材料塑性、韧性和可焊性良好等优点[2]。袁焕鑫[3]研究铸铝构件足尺模型力学性能，采用有限元模型对试验过程进行数值模拟，结果与试验数据吻合良好。施刚、罗翠等[4,5]研究了新型铸铝节点在典型荷载作用下的强度和刚度并进行承载性能有限元非线性分析和铸铝节点应力集中系数和承载力建华设计公式，有限元分析结果表明，计算公式具有良好的适用性。文中通过试验方法，研究铸铝构件的力学性能，并采用有限元软件ANSYS进行建模分析，通过工程实例合肥市某路BRT公交站台候车亭因雪荷载作用导致铸铝构件节点断裂，造成工程重大安全事故为研究背景。为分析事故产生原因，进行公交站台候车亭结构构件受力特征和断裂机理研究。

1力学性能试验

1.1试验内容与方法

根据工程事故现场状况，在已断裂倒塌的两个BRT公交站台候车亭，随机截取铸铝承托弓构件试样，将铸铝管构件加工制作成标准试样，进行力学性能试验。

1.2试验结果

1.2.1拉伸力学性能 随机截取铸铝构件制作成标准试样，采用CMT5105电子万能试验机进行拉伸试验[6]，拉伸力学性能试验结果如表2所示，试验结果表明，试样抗拉强度最小值为106MPa，断后伸长率最大值1.5%。

1.2.2布氏硬度随机选取2个现场断裂铸铝构件，加工制作布氏硬度试件，采用HB-3000B型布氏硬度计进行布氏硬度试验[7]，试验结果见表3所示。试验结果表明，构件试样布氏硬度实测值范围64.9~85.8HB。

1.2.3化学成分分析现场随机选取4个断裂铸铝构件，加工制作化学成分火花光谱分析试件，采用GNRMetal-Lab75/80精密真空火花直读光谱仪测定各试件的化学成分含量[8]，进行定量分析，试验结果见表4所示。根据化学成分分析试验结果表明该构件为铸铝材料构件，同时依据断后伸长率和布氏硬度试验结果，该材料为脆性材料[9]。

2数值模拟分析

2.1铸铝材料特性

铸铝承托弓节点受力复杂，文中采用弹塑性分析了解铸铝节点的受力性能。强度准则采用Vonmises屈服准则，弹塑性分析依据应力应变曲线建立相应的简化模型。根据材料力学性能试验结果，铸铝材料受拉应力-应变关系全曲线模型如图1所示。

2.2计算模型

采用ANSYS有限元分析软件，有限元模型采用Solid92实体单元，单元节点3个自由度。Solid92单元计算铸铝承托弓节点模型的应变、应力问题具有较好的适应性[10]。有限元模型采用映射网格和自由网格划分两种形式，其中对于靠接铸铝承托弓节点加强网格密度，远离节点采用粗网格映射划分。建立BRT公交站台候车亭有限元模型和铸铝承托弓构件有限元模型，分别如图2、图3所示。

2.3荷载与边界条件

候车亭顶面活荷载[11]：对雪荷载敏感的结构，基本雪压按100年重现期，雪荷载标准值sk=μrs0=1.0×0.7kN/m2=0.7kN/m2；按围护结构计算，风荷载标准值wk=βgzμslμzw0=1.00×1.25×（-2）×0.35kN/m2=0.875kN/m2。边界条件：假定铸铝承托弓构件支座节点为全位移约束。

2.4计算结果与分析

根据力学性能试验和化学成分分析表明铸铝承托弓构件具有脆性材料特性，模拟计算时强度计算采用第一强度理论。候车亭和铸铝承托弓构件数值模拟计算结果如图4~图7所示。铸铝承托弓构件第一主应力峰值为135MPa，位于其结构支座端部，其中2号试样实测抗拉强度大于理论计算值，原因在于边界条件假定，荷载取值等数值模拟计算参数设置存在一定误差。Y方向最大位移为9.933mm，位移较小。除2号试样外，计算峰值均高于抗拉强度实测值，理论上结构产生断裂破坏，实际支座处产生断裂位置、形态与理论计算结果吻合。

3结语

（1）铸铝构件拉伸力学性能试验结果表明，抗拉强度实测值为106~145MPa，材料强度较低，布氏硬度实测值为64.9~85.8HB，断后伸长率较小，并依据化学成分分析结果，铸铝承托弓构件具有脆性材料特性。（2）依据理论计算结果，并与力学性能实测值对比，计算峰值高于抗拉强度实测值，工程事故实际构件断裂位置、形态一致，与理论计算结果吻合。（3）通过理论计算分析，得出工程事故产生的构件断裂机理，为工程科学决策提供依据。

参考文献

［1］沈祖炎，郭小农，李元齐.铝合金结构研究现状简述［J］.建筑结构学报，2007,28（6）:100-109.

［2］罗翠，王元清，石永久，等.铸铝节点在铝合金空间结构中的应用研究［C］//中国钢结构协会结构稳定与疲劳分会2008年学术交流会论文集,2008.

［3］袁焕鑫.点支式玻璃建筑中铸铝支承件承载性能研究［D］.武汉:华中科技大学,2009.

［4］施刚，罗翠，王元清，等.铝合金网壳结构中新型铸铝节点承载力设计方法研究［J］.空间结构,2012,18（1）:78-84.

［5］罗翠，王元清，石永久,等.网壳结构中铸铝节点承载性能的非线性分析［J］.建筑科学,2010,26（5）:57-61.

［6］钢铁研究总院，济南试金集团有限公司,等.金属材料拉伸试验:GB/T228.1-2010［S］.北京:中国标准出版社,2010.

［7］钢铁研究总院,冶金工业信息标准研究院，等.金属材料布氏硬度试验:GB/T231.1-2018［S］.北京:中国标准出版社,2018.

［8］东北轻合金有限责任公司，有色金属技术经济研究院.铝及铝合金光电直读发射光谱分析方法:GB/T7999-2015［S］.北京:中国标准出版社,2015.

［9］曲淑英.材料力学［M］.北京:中国建筑工业出版社,2011.

［10］王勖成.有限单元法［M］.北京：清华大学出版社,2013.

［11］中国建筑科学研究院.建筑结构荷载规范:GB50009-2012［S］.北京:中国建筑工业出版社,2012.

作者：汪秀石 伍敏 杜明淮 贾贤安 单位：安徽省建院工程质量检测有限公司