铝合金结构设计规范_范文大全

铝合金结构设计规范

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范文一:按《铝合金结构设计规范》设计直立锁边铝合金屋面 投稿:韩竄竅

按《铝合金结构设计规范》设计直立锁边铝合金屋面

发布时间:2011-05-19

直立锁边金属(铝合金)屋面在我国使用已有十多年时间,2007年《铝合金结构设计规范》发布前,由于没有规范作依据,全由供货单位参照某些国外“权威机构”的资料做设计,不能形成系统、完整,正确的设计,因此有些工程出现了问题,个别工程发生中大工程事故。《铝合金结构设计规范》发布后,由于部分单位对《铝合金结构设计规范》缺少全面、准确的理解,在设计中往往套错公式、选错参数,不能做出正确的设计。为了使直立锁边金属(铝合金)屋面工程步入规范化设计轨道,就要宣传、贯彻《铝合金结构设计规范》,现就按《铝合金结构设计规范》设计直立锁边铝合金屋面的有关问题提出来和大家讨论。

1.全面、准确掌握《铝合金结构设计规范》

《铝合金结构设计规范》对铝合金结构设计作了全面规定(材料选用、设计原则、设计指标、板件有效截面等)。其中对板件的弹性临界屈曲应力的计算是难点,需结合应力图来理解。

5.2.4受压加劲板件、非加劲板件的弹性临界屈曲应力应按下式计算: σc r =kπ2E/ 12(1-υ2)•(b/t)2 (5.2.4)

式中 k —— 受压板件局部稳定系数,应按第5.2.5条计算;

υ ——铝合金材料的泊松比, υ=0.3;

b ——板件净宽,应按图5.2 .2采用;

t ——板件厚度.

5.2.5受压板件局部稳定系数可按下列公式计算:

1.加劲板件(双侧有腹板的翼板):

当1≥ψ>0时;(图5.2.5a、图5.2.5b)

k=8.2/(ψ+1.05) (5.2.5-1)

图5.2.5a 图5.2.5a

当0>ψ≥-1时; k= 7.81-6.29ψ+9.78ψ2 (5.2.5-2) 腹板 受弯(图5.2.5c)、压弯(图5.2.5d)

图5.2.5c 图5.2.5d 图5.2.5e

当ψ<-1时;

k=5.98 (1-ψ)2 (5.2.5-3)

腹板 拉弯(图5.2.5e)

(GB50018 注:当ψ<-1时,以上各式的k值按ψ=-1的值采用。)

式中: ψ ——压应力分布不均匀系数,ψ=σm i n /σm a X ;

σm a X——受压板件边缘最大压应力(N/mm2),取正值;

σm i n——受压板件另一边缘的应力(N/mm2),取压应力为正,拉应力为负。

2.非加劲板件(一侧自由挑出的翼板):

1)最大压应力作用于支承边:

当1≥ψ>0时:(图5.2.5f、图5.2.5g)

0.578

k= ———— (5.2.5-4) ψ+0.34

图5.2.5f 图5.2.5g

当0≥ψ>-1时:(图5.2.5h)

k=1.7-5ψ+17.1ψ2 (5.2.5-5)

1) 最大压应力作用于自由边:

当1>ψ≥-1(1≥ψ≥-1)时:(图5.2.5i、 图5.2.5j)

k=0.425 (5.2.5-6)

图5.2.5h 图5.2.5ji 图5.2.5j

(GB50018 注:当ψ<-1时,以上各式的k值按ψ=-1的值采用。)

条文说明5.2.4、5.2.5受压板件局部稳定系数计算公式参考了《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB50018和《欧洲钢结构设计规范》EC3。需要指出的是:涉及到如何考虑应力梯度对不均匀受压板件有效厚度的影响时,本规范与欧规及英规的处理方法略有差异。本规范采用以压应力分布不均匀系数ψ计算屈曲系数κ的方法;而在欧规及英规中采用以压应力分布不均匀系数ψ计算换算宽厚比的方法,两种方法只是在公式表达上有所不同,本质上仍是一致的。

5.2.6 均匀受压的边缘加劲(肋)板件、中间加劲(肋)板件的弹性临界应力应按下式计算: ηk0π2E

σcr= ———————— (5.2.6-1)

12(1-υ2)(b/t)2

式中 k0 ——均匀受压板件局部稳定系数;对于边缘加颈板件,k0=0.425;对于中间加劲板件k0=4;

η ——加劲肋修正系数,用于考虑加劲肋对被加劲板件抵抗局部屈曲(或畸变弯曲)的有利影响,应按下式计算:

1 对于边缘加劲(肋)板件:

η=1+0.1(c/t-1)2 (5.2.6-2)

2 对于有一个等间距中间加劲肋的中间加劲板件:

(c/t-1)2

η=1+2.5———— (5.2.6-3)

b/t

3 对于有两个等间距中间加劲肋的中间加劲板件:

(c/t-1)2

η=1+4.5———— (5.2.6-4)

b/t

式中 t —— 加劲肋所在板件的厚度,也即加劲肋的等效厚度;

c ——加劲肋等效高度;等效的原则是:加劲肋对其所在板件中平面的截面惯性距与等效后的截面惯性距相等,如图5.2.6所示,虚线表示等效加劲肋。

4 对于有两道以上中间加劲肋的中间加劲板件,宜保留最外侧两道加劲肋,并忽略其余加劲肋的加劲作用,按有两道加劲肋的情况计算。

5对于其它带不规则加劲肋的复杂加劲板件:

σ cr 0.8

η=—— (5.2.6-5)

σ cr0

式中 σ cr ——假定加劲边简支情况下,该复杂加劲板件的临界屈曲应力;宜按有限元法或有限条法计算。

σ cr0 ——假定加劲边简支情况下,不考虑加劲肋作用,同样尺寸的加劲板件的临界屈曲应力。可按公式(5.2.6-1)计算,并取η=1.0。

5.2.7 不均匀受压的边缘加劲板件、中间加劲板件及其他带不规则加劲肋的复杂加劲板件,其临界屈曲应力σ cr0宜按有限元法计算,计算中可不考虑相邻板件的约束作用,按加劲边简支情况处理,如图5.2.7所示。当缺乏计算依据时,可忽略加劲肋的加劲作用,按不均匀受压板件由第5.2.4条和5.2.5条计算其临界屈曲应力σ cr,再由第5.2.3条计算板件的有效厚度,但截面中加劲部分的有效厚度应取板件的有效厚度和对加劲部分按非加劲板件单独计算的有效厚度中的较小值。

条文说明5.2.6、5.2.7加劲肋修正系数η用于计算加劲肋对受压板件局部屈曲承载力的提高作用。第5.2.6条给出了常见三种加劲形式η的计算公式,该公式来自于η=σc r / σc ro=κ/κO,其中σc r为带加劲肋单板的弹性屈曲应力理解,κ为屈曲系数。以边缘加劲板件为例,图4绘出了加劲肋厚度与板件厚度相同时板件宽度比β=15和β=30两种情况下,屈曲系数κ与加劲肋高厚比C/t的关系。由图可见,屈曲系数与板件屈曲波长有关。当屈曲半波较长时,增大加劲肋的高厚比,不能显著地提高边缘加劲板件的屈曲系数,也即不能显著提高板件的临界屈曲应力。然而,考虑到实际构件中板件屈曲的相关性,其屈曲半波长度一般不超过7倍板宽,通常可以取屈曲半波长度与宽度的比值l/b=7来确定边缘加劲板件的屈曲系数κ。图5是板件屈曲波长度等于7倍板宽时,板件宽厚比等于10、20、30、40四种情况下,边缘加劲板件的屈曲系数与加劲肋高厚比的关系。由图可见,式(5.2.6)给出了相对保守的计算结果。

《铝合金结构设计规范》第11章对铝合金面板作了专章规定。

11.1 一般规定

11.1.1本章铝合金面板的计算和构造规定适用于直立锁边板、波纹板、梯形板冲压成形的屋面板或墙面板(图11.1.1)。

图11.1.1 铝合金屋面板、墙面板

当腹板为曲面时,腹板净长h为腹板起弧点间的直线长度;腹板倾角θ为腹板起弧点连线和底面的夹角。

条文说明11.1.1 本规范仅考虑起结构作用的面板,不考虑仅起建筑装饰作用的板材。 11.1.2直立锁边铝合金面板可采用T形支托(图11.1.2)作为连接支座。

图11.1.2 T形支托

11.1.3 铝合金面板受压翼缘的有效厚度计算应按下列规定采用:

1. 两纵边均与腹板相连且中间没有加劲的受压翼缘(图11.1.1c),可按加劲板件(图

5.1.4b) 由本规范第5.2.3条确定其有效厚度。

2. 两纵边均与腹板相连且中间有加劲的受压翼缘(图11.1.1a),可按中间加劲板件(图5.1.4d)由本规范第5.2.3条确定其有效厚度。当加劲肋多于两个时,可忽略中间部分加劲肋的有利作用(图11.1.3)。

图11.1.3 加劲肋的简化图

3. 一纵边与腹板相连且有边缘加劲的受压翼缘(图11.1.1c),可按边缘加劲板件(5.1.4c) 由本规范第5.2.3条确定其有效厚度。

4. 一纵边与腹板相连且没有边缘加劲的受压翼缘(图11.1.1c),可按非加劲板件(5.1.4a) 由本规范第5.2.3条确定其有效厚度。

11.1.4 一纵边与腹板相连的弧形受压翼缘(图11.1.1b),应根据试验确定其有效厚度。

11.1.5 铝合金面板中腹板的有效厚度应按本规范第5.2节的规定进行计算。 11.1.6 铝合金面板的挠度应符合表4.4.1的规定。

条文说明11.1.6 近年来,出现了不少新的铝合金面板板型,对特殊异形的铝合金面

板,建议通过实验确定其承载力和挠度。

11.2 强度

11.2.1 在铝合金面板的一个波距的板面上作用集中荷载F时(图11.2.1a),可按下式将集中荷载F折算成沿板宽方向的均布线荷载q re(图11.2.1b),并按q re进行单个波距的有效载面的弯曲计算。

q re =η(F/B) (11.2.1)

式中 F——集中荷载;

B——波距;

η——折算系数,由试验确定;无试验依据时,可取η=0.5。

图11.2.1 集中荷载下铝合金面板的简化计算模型

条文说明11.2.1 集中荷载F作用下的铝合金面板计算与板型,尺寸等有关,目前尚无精确的计算方法,一般根据试验结果确定。规范给出的将集中荷载F沿板宽方向折算成均布线荷载qre [式(11.2.1)]是一个近似的简化公式,该式取自国外文献和《冷弯薄壁型钢材结构技术规范》GB50018,式中折算系数η由试验确定,若无试验资料,可取η=0.5 ,即近似假定集中荷载F由两个槽口承受,这对于多数板型是偏于安全的。

铝合金屋面板上的集中荷载主要是施工或使用期间的检修荷载。按我国荷载规范规定,屋面板施工或检修荷载F=1.0KN ;验算时,荷载F不乘以荷载分项系数,除自重外,不与其他荷载组合。但如果集中荷载超过1.0KN ,则应按实际情况取用。

11.2.2 铝合金面板的强度可取一个波距的有效截面,作为弯构件按下列规定计算。檩条或T形支托作为连续梁的支座。

M/M u≤1 (11.2.2-1)

M u=Wef (11.2.2-2)

式中 M——截面所承受的最大弯距,可按图11.2.2的面板计算模型求得; M u——截面的弯曲承载力设计值;

We——有效截面模量,应按第5.4节的规定计算。

图11.2.2 铝合金面板的强度计算模型

11.2.3 铝合金面板T形支托的强度应按下式计算:

σ=(R/Aen)≤f (11.2.3-1)

Aen=t1Ls (11.2.3-2)

式中 σ——正应力;

f——支托材料的抗拉和抗压强度设计值;

R——支座反力;

Aen——有效净截面面积

t1——支托腹板最小厚度;

Ls——支托长度。

11.2.4 铝合金面板和T形支托的受压和受拉连接强度应进行验算,必要时可按试验确定。

条文说明11.2.4 T形支托和面板的连接强度受材料性质及连接构造等许多因素影响,目前尚无精确的计算理论,需根据试验分别确定面板在受面外拉力和压力作用下的连接强度。

11.3、稳定

11.3.1 铝合金面板中腹板的剪切屈曲应按下列公式

当h/t≤875/√f0.2 时 , τ≤τc r=320/(h/t)√f0.2

τ≤fv (11.3.1-1)

当h/t≤875/√f0.2 时, τ≤τc r=280000/(h/t)2 (11.3.1-2)

式中 τ——腹板平均剪应力(N/mm2);

τc r——腹板的剪切屈曲临界应力;

fv——抗剪强度设计值,应按表4.3.4取用;

f0.2——名义屈服强度,应按附录表A-1、A-2取用;

h/t——腹板高厚比。

条文说明11.3.1 式(11.3.1-1)和(11.3.1-2)分别为腹板弹塑性和弹性剪切屈曲临界应力设计值。

1 腹板弹性剪切屈曲应力。

根据弹性屈曲理论,腹板弹性剪切屈曲应力公式如下:

τc r=ηk sπ2E/12(1-υ2)×(h/t)2 (17)

式中 h/t——腹板的高厚比;

k s——四边简支板的屈曲系数,按如下取值:

当a/h<1时, k s=4+5.34/(a/h)2 (18)

当a/h>1时, k s=5.34+4/(a/h)2 (19)

当腹板无横向加劲肋时,板的长宽比将是很大的,屈曲系数可取k s=5.34,代入公式

(17)并考虑抗力分项系数γR=1.2,可得:

τc r=28000/(h/t)2 (20)

2 腹板塑性剪切屈曲应力。

根据结构稳定理论,弹塑性屈曲应力可按下式计算:

τc r/=(τpτc r)1/2 (21)

式中 τp——剪切比例极限,取0.8τy;

τy——取f0.2/31/2。

将式(17)代入式(21),同时取k s=5.34 ,并考虑抗力分项系数γR=1.2 ,可得: τc r/≈320[f0.21/2/(h/t)] (21)

11.3.2 铝合金面板支座处腹板的局部受压承载力,应按下式验算:

R/Rw≤1 (11.3.2-1)

Rw=αt2 (√f E)[0.5+(√(0.02l c/t)][2.4+(θ/90)2] (11.3.2-2) 式中 R——支座反力;

Rw——一块腹板的局部受压承载力设计值; α——系数,中间支座取0.12;端部支座取0.06; t——腹板厚度;

l c——支座处的支承长度,10mm<l c<200mm,端部支座可取10mm; θ——腹板倾角(450≤θ≤900); f——铝合金面板材料的抗压强度设计值。

条文说明11.3.2 腹板局部承压涉及因素较多,很难精确分析。RW的计算式(11.3.2)是取r=5t代入欧规公式得出的。

11.3.3 铝合金面板T形支托的稳定性可简化为等截面柱模型(图11.3.3b),简化模型应按下式计算:

R/(υA) ≤f (11.3.3) 式中 R——支座反力;

υ ——轴心受压构件的稳定系数,应根据构件的长细比、铝合金材料的强度标准值f0。2按附录B取用;

A——毛截面面积,A=Tls;

t——T形支托等效厚度,按(t1+ t2)/2取值; t1——支托腹板最小厚度; t2——支托腹板最大厚度。

图11.3.3 T形支托高度

11.3.4 计算铝合金面板T形支托的稳定系数时,其计算长度应按下式计算: L0=μH (11.3.4)

式中 μ——支托计算长度系数,可取1.0或由试验确定; L0——支托计算长度。

条文说明11.3.3、11.3.4 铝合金面板T形支托的稳定性可按等截面模型进行简化计算。支托端部受到板面的侧向支撑,根据面板侧向支撑情况,支托的计算长度系数μ的理论值范围为0.7~2.0 。同济大学进行的0.9mm厚、65mm高、400mm宽的铝合金面板(图11.1.1a)实验中,量测了T形支托破坏时的支座反力值,表16为按本规范公式(11.3.3)计算得到的承载力标准值(取μ为1.0、f为f0.2 )和试验值。考虑到实验得到的支托破坏数据有限,而板厚板型对支托侧向支撑的影响又比较复杂,本规范建议根据实验确定计算长度值。

表16 T形支托承载力标准值和试验值比较(KN)

11.4 组合作 用

11.4.1 铝合金面板同时承受弯距M和支座反力R的截面,应满足下列要求: M/M u≤1

R/R w≤1 (11.4.1) 0.94(M/M u)2+( R/R w)2≤1

式中: M u——截面的弯曲承载力设计值,M u =W ef; W e——有效截面模量,应按第5.4节规定计算;

R w——腹板的局部受压承载力设计值,应按公式(11.3.2)计算。 条文说明11.4.1 支座反力处同时作用有弯矩的验算相关公式取自欧规。 11.4.2 铝合金面板同时承受弯距M和剪力V的截面,应满足下列要求: (M/M u)2+( V/V u)2≤1 (11.4.2)

式中 V u——腹板的抗剪承载力设计值,取(ht?sinθ)τc r和(ht?sinθ)fv中较小值, τc r应按公式(11.3.1)计算。 11.5 构造要求

11.5.1 铝合金屋面板和墙面板的厚度宜取0.6~3.0mm。铝合金面板宜采用长尺寸板材,以减少板长方向的搭接。

条文说明11.5.1 铝合金屋面板和墙面板的基本构造如图20。

图20

铝合金挤压板件的厚度一般为0.6—1.2mm,而非挤压板件的厚度目前可以达到3.0mm。因此,本规范规定铝合金屋面板和墙面板的厚度宜取0.6--3.0mm.。

为了避免出现焊接搭接,铝合金面板应尽量通长布置。若面板确需焊接搭接,为了避免火灾隐患,焊接部位下的垫块应满足一定耐火等级的要求。

铝合金屋面板可通过自身的强度承受竖向荷载,也可通过屋面板下满铺的附加面支撑承受荷载。屋面板宜根据受力、防水、立面装饰等方面的要求,采用不同的承载方式。对于挤压成形的铝合金屋面板,当波高较小、板宽较大时,为保证施工及使用阶段的受力要求和屋面板的平整性,建议采用附加面支撑受力体系。

11.5.2 铝合金面板长度方向的搭接端必须与檩条、支座、墙梁等支承构件有可靠的连接(图11.5.2),搭接部位应设置防水堵头,搭接处可采用焊接或泛水板,搭接部分长度方向中心宜与支承构件形心对齐,搭接长度α不宜小于下列限值: 波高不小于70mm的高波屋面铝合金板:350mm;

波高小于70mm的屋面铝合金板:屋面波度小于1/10时,取250mm; 屋面波度不小于1/10时,取200mm; 墙面铝合金板:120mm。

图11.5.2 铝合金面板搭接图

11.5.3 铝合金屋面板侧向可采用搭接、扣合或咬合等方式进行连接。当侧向采用搭接式连接时,连接件宜采用带有防水密封胶垫的自攻螺钉。宜搭接一波,特殊要求时可搭接两波。搭接处应用连接件紧固,连接件应设置在波峰上。对于高波铝合金板,连接件间距宜为700~800mm;对于低波铝合金板,连接件间中宜为300~400m。采用扣合式或咬合式连接时,应在檩条上设置与铝合金板波形板相配套的专门固定支座,固定支座和檩条用自攻螺钉或射钉连接,铝合金板应搁置在固定支座上(图11.5.3)。两片铝合金板的侧边应确保在风吸力等因素作用下的扣合或咬合连接可靠。

图11.5.3 固定支座连接

11.5.4 铝合金墙面板之间的侧向连接宜采用搭接连接,宜搭接一个波峰,板与板

的连接件可设在波峰,亦可设在波谷。连接件宜采用带有防水密封胶的自攻螺钉。 条文说明11.2.2~11.5.4 这些条文均是关于铝合金屋面、墙面的构造要求规定。条文中增加了近年来在实际工程中采用的铝合金板扣合式和咬合式连接方式,这两种连接方法均隐藏在铝合金板下面,可避免渗漏现象。对于使用自攻螺栓和射钉的连接,必须带有较好的防水密封胶垫材料,以防连接处渗漏。 2. 直立锁边铝合金面板

翼板宽 b=366mm 腹板高 27mm 板厚 0.9mm

最大压应力作用于腹板自由边 等效中间加劲肋高度 c1=23(19.5)mm

腹板 强硬化 非加劲肋板件(边缘带加劲肋)

受弯构件 ψ= -1 按(式5.2.5-6) k=0.425

k0=0.425 k/= k/ k0 =0.425/0.425=1 ε=(240/190)1/2=1.12 (表5.2.1-1) 按(5.2.6-4)η=1+0.1(c/t-1)2=1+0.1[23(19.5)/0.9-1]2=1+0.1×603(427)=61.3(43.7) 构件宽厚比b0/t=27/0.9=30<有效最大宽厚比=5(240/190)1/2×(ηk/)1/2=5×1.12×[61.3(43.7)×1]1/2

=5×1.12×7.83(6.61)=43.8(37),板件截面全部有效,即不要进行板件的有效厚度计算。

Ix=238746mm4

Wx1=238746/14=17053 mm3 Wx2=238746/51=4681 mm3 最大压应力作用于腹板支承边 等效中间加劲肋高度

c1=10.6mm

翼板 强硬化 加劲板件(中间带加劲肋):受弯构件 ψ= -1 k=8.2/(1+1.05)=4 (式5.2.5-1)

表5.2.1-1 k0=4 k/= k/ k0 =4/4=1 f0.2 =190N/mm2 ε=(240/190)1/2=1.12 按(5.2.6-4)η=1+4.5 [(c/t-1)2/(b/t)]=1+4.5[(10.6/0.9-1)2/(366/0.9)]=1+4.5×0.286=2.287

构件宽厚比b0/t =366/0.9=407<有效最大宽厚比=17(240/190)1/2×(ηk/)1/2 =17×1.12×(2.287×1)1/2=17×1.12×1.512=28.8 要进行板件的有效厚度计算。 按(式5.2.6-1)

σcr=ηk0π2E/12(1-υ2)×(b/t)2

=2.287×4×π2×0.7×105/[12(1-0.32)×(366/0.9)2]=3.5N/mm2 按(式5.2.3-1)

λ=(f0.2/σcr)1/2=(190/3.5)1/2 =7.37

te/t=α1 ×1/λ-α2×0.22/λ2=0.9×1/7.37 -0.9×0.22/7.37 2=0.122-0.0036=0.1184<1 OK

te =0.1184t=0.1184×0.9=0.11 mm

Ix=122159mm4

Wx1=122159/34=3593 mm3 Wx2=122159/31=3941 mm3 3. 例题

一直立锁边铝合金屋面工程,用3004H16(H26)直立锁边铝合金面板。 W0=0.4KN/m2 B类 H=36m μs1=+0.2 μs2=-2.2 μf=0.5×(Z/10)-0.16=0.4073

βg z=0.89(1+2μf)=0.89×(1+2×0.4073)=1.165 Wk1=1.165×1.506×0.2×0.4=0.14KN/m2 Wk2=1.165×1.506×-2.2×0.4=-1.54KN/m2 S0.=0.35 KN/m2 μr=1.0

Ss=1×0.35= 0.35KN/m2 活荷载 0.5 KN/m2

自重G线=0.6×0.0009×28 =0.015KN/m 自重G面=0.015/0.4=0.0375KN/m2 屋面与水平的夹角 4.25 0 校核屋面板强度、稳定。 解:

组合一 自重+ W2

自重化成背向屋面沿斜长分布 G线=0.015cos 4.25 0=0.015×0.99725=0.015KN/m W2线=-1.54×0.4=-0.616 KN/m2

标准值 q1=1.0×0.015-1.0×0.616=-0.601 KN/m 设计值 q1=1.0×0.015-1.0×1.4×0.616=-0.8474 KN/m 组合二 自重+ W2+活 (活荷载大于雪荷载取活荷载)

自重化成沿斜长分布 G线=0.015cos 4.25 0=0.015×0.99725=0.015KN/m W2线=-1.54×0.4=-0.616 KN/m

活荷载面荷载化成沿斜长分布 活面=0.5cos 4.25 0=0.5×0.99725=0.4986KN/m2 活荷载线荷载沿斜长分布 活线=0.4×0.4986=0.1995KN/m 自+活化成指向屋面沿斜长分布

标准值 q2-1=(1.0×0.015+1.0×0.1995)cos 4.25 0=0.214 KN/m q 2-2=0.14×0.4 =0.056 KN/m q2=0.056+0.214=0.27KN/m

设计值 q2-1=(1.2×0.015+1.4×0.1995)cos 4.25 0=0.296 KN/m q 2-2=1.4×0.056 =0.0784KN/m q2=0.296+0.0784=0.374KN/m 采用2×5=10m 五跨连续梁 m1=0.100 mb=0.119 Rb=1.128 Vb=0.62

f1=0.15635/24≈1/154≈2.5/384 背向屋面

M1=0.1×0.8474×22=0.3390 KN-m=339000N-mm Mb=0.119×0.8474×22=0.4034KN-m=403400N-mm

σ1=339000/3593=94.46 N/mm2 σb=403400/17053=23.66N/mm2 第一跨跨中

Mu=3593×160=574880 N M/ Mu=339000/547880=0.59<1 B支座

Mu=17053×160=2728240 N M/ Mu=403400/2728240 =0.15<1 h/t=27/0.9=30<875/(f0.2)=63.5 Rb=1.128×0.8474×2=1.912 KN

Rw=0.12×0.9×(1600×70000)1/2×[0.5+(0.02/0.9)1/2] ×(2.4+1) =0.12×0.81×3347×1.635×3.4=1809 N Rb / Rw 1912/1809=1.06>1

0.94(M/ Mu)2-(Rb / Rw)2=0.94×0.152+1.062=1.15>1 (1-0.94×0.152)1/2=0.99 需修改跨度 跨度控制最大值 0.99×1809=1791N

跨度采用1.85m Rb=1.128×0.8474×1.85=1.768 KN Rb / Rw 1768/1809=0.977<1 满足要求,按1.85m修改跨度。 改为 1.85×5=9.25 五跨连续梁 m1=0.100 mb=0.119 Rb=1.128

Vb=0.62

f1=0.15635/24≈1/154≈2.5/384 M1=0.1×0.8474×1.852=0.290 KN-m=290000N-mm

Mb=0.119×0.8474×1.852=0345KN-m=345000N-mm

σ1=290000/3593=80.71 N/mm2 σb=345000/17053=20.23N/mm2 第一跨跨中

Mu=3593×160=574880 N M/ Mu=290000/547880=0.53<1 B支座

Mu=17053×160=2728240 N M/ Mu=345000/2728240 =0.13<1 h/t=27/0.9=30<875/(f0.2)=63.5 Rb=1.128×0.8474×1.85=1.768 KN

Rw=0.12×0.9×(1600×70000)1/2×[0.5+(0.02/0.9)1/2] ×(2.4+1) =0.12×0.81×3347×1.635×3.4=1809 N Rb / Rw 1768/1809=0.98<1

0.94(M/ Mu)2-(Rb / Rw)2=0.94×0.152+0.982=0.98<1 Vb=0.62×0.8474×1.85=0.972 KN A=27×0.9=24.3 mm2 τ=1786/24.3=76.32 N/mm2

τcr=320/30(190)1/2=147 N/mm2 fv=95 N/mm2 Vv=27×0.9×sin90×95=2309 N Vb / Vv=972/2309=0.42<1

(M/ Mu)2+(Vb / Vv)2=0.152+0.422=0.20<1 指向屋面

M1=0.1×0.374×1.852=0.128 KN-m=128000N-mm Mb=0.119×0.374×1.852=0.152 KN-m=152000N-mm

σ1=128000/17053=7.31 N/mm2 σb=152000/3593=42.30N/mm2 第一跨跨中

Mu=17053×160=2728480 N M/ Mu=128000/2728480=0.05<1 B支座

Mu=3593×160=574880 N M/ Mu=152000/574880 =0.26<1 h/t=27/0.9=30<875/(f0.2)=63.5 τcr=320/30(190)1/2=147 fv=95 Rb=1.128×0.374×1.85=0.780 KN

Rw=0.12×0.9×(1600×70000)1/2×[0.5+(0.02/0.9)1/2] ×(2.04+1) =0.12×0.81×3347×1.635×3.4=1809 N Rb / Rw =780/1809=0.43<1

0.94(M/ Mu)2 +(Rb / Rw)2=0.94×0.26 2+0.43 2=0.25<1 Vb=0.62×0.374×1.85=0.429 KN A=27×0.9=24.3 mm2 τ=780/24.3=33.33N/mm2

τcr=320/30(190)1/2=147 N/mm2 fv=95 N/mm2 Vv=27×0.9×sin90×95=2309 N Vb / Vv=429/2309=0.19<1

(M/ Mu)2+(Vb / Vv)2=0.262+0.192=0.10<1

范文二:《铝合金结构设计规范》的若干重要概念和研究依据 投稿:陶閌閍

J u a o u li  ̄r Scu   oe ml f in t trs   B d u

3 0卷 第第 250 0 9期年1   0

月V_o0 3  lN 5o. O  t2 0  .c0

9章编号 :文 00 66 0( 9 —00 11 10 —8 20 )59 00 —

《 2铝合金结构计设规》 的范 干若 要重念概和 研依究 据

 其林  张,季  俊 , 联萍  ,吴明儿。  杨(. 1

同济 学 大木 工程土 院学上,海2 0 9 2上 现代海建 设筑计( 团) 公司 限, 00 2;. 集 有海 2上0 4) 0 01 

摘 要 :新颁对布的国 家标准G 0 2 -20 {B 4 950 7铝 金合结构设规范计》中若 重干概念要 、 理和试论验究成果进研了综行 。介 

述 了结绍铝合金材构料的 理力物性学能 本构、关系、 焊 接热影 区等响本特性基 ,了出合金铝焊 及紧 固件接接连 的计算定假  给

依据, 解 释了 虑铝考合截金面 屈后强曲和度焊热接影响效应的 有厚度效计法 算理论 和应相的有 效 面截算计方 ,法 述叙了  合金构件设计计铝算式公式选定形和关参 数取相 值的依据, 阐 了述铝 金面合 中面板 与板 托的支算 方计 法将。对 新范规的 

广推使用和到起进促用作  。

键 词: 合铝结构金; 设 计规 范 ;算计法方 参数取值 

;中图分 类 号 :U   T 9314 T 3 5 U. 1 文标志码 : 献A

e i o mn  t o p c sa dr s ac   ea  fCo fero   m ra tcp n e t n   e e r bh ss o  d o

De  n i o   u nm  ut t rs s g  fA mil uS r c u e

  ZA GlQ  J Jn ,Y  i Nnp2 H N in , 1  uA GLai g,wuigMr i  n n   e( .

eoe o i nlire gT n ln rt,vSaga 2 09 , h n ;C1 lgf   v g  en ,o a i ys nhhi 00 2 C i l C iE in Ue   ai

2S ag Xadi rah t eaD s nGo p S a ag 024 , nh ) .h hin i Aac ic r ei   rl ,h nih 00 C i1 a n    tu  g  

u A tb t a sp h p r mmas z s me i s ot no c p s e tr at  t os a d tsi g osr ian  d p e  ns c :T ir a  u i e e r  omp r at c n t, eho eil mehd   n   e

t  bev t s o ad ti c n o

yof iwl s ud C eient n l s n d ‘ao ef rd s nolm i su u rs G t0 2  —2 0 ) el fcl aies  h ns a i at d C r od ei f  n m t uue ’(cB 54 9 7 .0 卟e i  yo   a agr  

pprito u e   h   p yi a n  c a ia   r rpis cnt u ie r lot a dp pr ri so  e t fe d tz   nae n r d cdt h sc ela md hen c lp oe e,o s it   e iann   oeet fh  aafce   o t t ev

Zo) tc ual mi  utr 1 h  su n n  tto fsrtelcuinao ed  n n  tanr i  HAfs tr au n mam a.T eaempi ss dmaehd     a lt cf  wiglad f ss ne u r il o ho e  ol

m i sur tr sw eeas  e cb d a un mt  uce  r l od s r e .T  h ohy a deu ots o‘ eftv   h cns  t o ui et re n  q a in  f feie cit ke mseh d’ fcr ni e n h     o odsr g te i e fcso   obtc ln   n  ft  fp s- k u i a gd AZH  ou n m  e t n     rc ies . n Fl e  f ami u cs iwese d u ss dlo ali te pp r pen a o t e dg s y ,h  ae   lix hsw h   ei fn ru a  lo mu mi eeswe oe ieto m l  faun m mb r  r b an  da d, et cc lt nmeh d o  l  imu p ens dai   pu rs ween     ahu ai   t o s raf unm  a  ll no t sp o   r s t l iou t ae h.   u oiaa  i n h p   l t ft   ed g sc   dl peo t.d sa  lsr t d Te p plr t zna dte a piaino   n e we i   o wieb  l mreo  l o och  

Kn ewo d y rs:au n m  tu c ed sg ; o  ec; luain mh e;pdaat

rv e llm u irstr se i c u n dcalto   t o r mee  a u 

基金项

目: 住 和城 房乡设建部“铝 金合构设结规计 范” 制项编 目 (建标 0[3 1 2号) 2  00 。 作]简介 : 张者林( 9其 26 1一 ), ,男江苏南通人 , 工学士博 教, 。Ema 授hnql:@t g ie cun— ziaing o dj.ol l i n   .收稿 期 日:0 年 5月 92  01

 

0 言引 近十

年 几,铝 金合 构结在土 木工 中 的程应用得  

迅到发 展速作为。 一种 型新的建筑 结 构材 ,料合  铝金具

有量重轻、 耐腐蚀 、 于易护 、维施 工 方便优等点 ,  能适够应现工程结代 构向 跨大 和质轻方 发展 向以及  恶 的建劣环筑 ,境 极易进 促结构 工程科 学 建与筑   并 艺术 融合 的国 。际上 ,在上 世 纪七 、 年 代十, 早八英  ( P国 1) 大利意( N 8 ) 瑞3典 (V 、   国C 18 、UI 4 、6 S R)法 ( T 、国 (I -31 奥地利 ( N)和D U ) 德D 4N1 )O 的 合金铝  

构规结就 范相 继颁已布 。17 … 8年9 欧洲 钢 结 构会 

图 协2上海 科技 馆 中央 大 厅  F g

2C r lnhl o  n hh iSin e & i  .e t  l afS ga a c  ce   a

eT nhl g  s uuc oo y M em 

C(S 制 定了第 1版 EA S 洲 欧合 金 铝 构建结 E ) CR A 《议》 这 欧洲是首 尝次试统 一 铝合金 结构设 准计 。 , 则 

9 912年 CN 洲欧准组标织) E ( 制定 新一版欧了 E 洲9 C 

合《结构设金计规范z(》 铝 -以 简称 “ 下  规欧 ”,) 至今 

仍 在不完断善 中之。此前 , 于国 1 9英 19年成完了   合铝金 规 范 B81 S 18的修 订 , 代 了 原 有的C 8 取1 1P 。除  欧洲 国了 外家 , 铝国业协 会 于19 美 9年 4成 完《了铝  

合金

计手册》 6版 设修的工作 。订近来 ,年内已 第国  

经 续兴陆 了建一些铝金合空结间构 和人行梁桥, 1图   为 199 年建成 的 8中国 航实 天研 验 究中 心C 零 磁  M2试验室 采用, 我 国 了行自研 制 、设计 造 的、螺栓  球制 点节铝金合网 结架构。 图 22 0 建成年 上的 海科  为 0 1技馆 中 大央厅 , 椭 球体 单层网 壳 结 。 图 3构为 为 020 7建年 成杭的 州市庆春 中路河路人 行 天 桥, 为  中图

3 州铝杭合金天桥 

gF3 A lmi im  l y eo p sn

Ha gh u i .  u u nla  v a rsi  nz o  

Go  0 2 - 20( B 45 90 7 合 铝 金结 构设计 范规 ,  》该规 范

20 0  年8 3 1月于 中日人华 民共 和住 房国城 和建设乡 部公

告第 67号布发 。 2 

编写过在 中程, 范规编 写力求组 将 铝合 金构件 、

国 座首铝合金桥 天这些 。经已建成 铝合 的金构结说  明 我 编制 国铝合金 结 构计 规设范 必要的性 , 为 也 编

工作制供 提必了的要程实工践料资积累  

。连 、接 件板等计算 公式 与G  1- 0 20《 B0 5 07 3钢结 设 

计规 构》范以及  0 1G-2 0(  B50 80 2 弯冷壁薄钢结型  技术规构 》范 中相公 式在形关 上式一统 来起, 以便 应  用。 结构与 钢材 用 相比 , 构 铝材 用既 有金 属 材 料 结共 的性特点 ,有其也 性个 的特质, 而 后者决将定 工  程师

对铝 金结 合 的构选 型、设 计以 及 广和 应用推。 本  文针对铝合 金材料 固有 所的特 解 性释 了 其材 、料连  

接、

有效 面计截 、算件设 计计 和 算板设面 等相计  关构概念 和 研 究 依 , 据以加深 研究 者 工和 程 师对G   B 5 942 0( 0 2- 0 7 铝金结合设计规范构》的应 和用理解 。

 1

铝合金材 的基本料性特  

图 1 京北航天 验实研究 中心零 

磁验实铝合室金 网架

F g 1A nu aluy i . l im i  l   om o  de oma tnl br tr    zf r g e — o oay a

11 铝合金的生产

工艺和分类 

.铝合

熔点金仅 为06C, 6  ̄  而对因 进行其 工较 加为 容 易厚度为 5~。 m的6 材是板由铝坯 通过 轧  a热 r 法成方型 的 ,了得到 更薄 的板 材 则需 用采 轧冷方  

oe igS aE ep rt eeer e  t  f in p c  ex in Rsac C r njB m  he

根住房和城 乡据 建部建设 标0[3 1 2号 文 关20 ] 0

于印 (发 0 ~ 02 年3工程建度设 国标 家制定 准、 202 0修  订 计》划 的通知要 求,由同济 学大、 代建筑 设计集  

现团上建筑设计海 研究 院 限公有 司会同 有关设 计 施 、工 、材 和料研 科位单的技 术员人 成编组 组 , 编写 制  

了2  

法冷轧。过程将 引起加 工化硬, 而需 其 对行进  退 因 处火 理提高其延展性以 铝 合。金 大 的最 优之点一就 

是 以可用采压 机挤力压 型。与成热 方轧法 相 比 ,该   法方 生产能 任 意截出 面 型 的材

, 且可 以获 得 加劲 并

材优和 化型材 。

 

模性也量 似近 钢材 的为1 3 不在同 号牌 的铝 合金  /( 中, 性弹 量在模6 5~0 40 P 之 M变化间) 铝  其 80 705a ,

表 l、 列出了建2 结构筑中使用的造铝锻   表  合金材料 的 数牌字号表示方法和 常状用态代号命 名  规则 。铸铝材料 宜 用 于建筑不 结构 的受 力构 件, 当 采用铸铝节  时应 点进充分行的试 验究 研确以 其工 

作性 保能 。 

热膨 系数胀 钢是 材的 倍 2 在不( 同牌号 铝的合 金

中 , 热其膨胀 数 在系 911× 一~ 41 × o 间变  之 02 C0  化 ) 明铝合金结构对 温度表化 变敏感 。与更材 钢  相, , 比的腐蚀耐 性较能好, 铝 通 情况常 下需 不对铝 材要 进

行气 或大化 学腐蚀介 质 防 。表护 3列 出 室了   温 

筑建 结中使用构 锻造铝 合金根 据其的对热 理  处的反应, 可分以 热 为处 合理金 和非 处 理合 金 热。 热处 理合金 通热过处 理 高提材 料 度 ; 热强处理 合金  

下非材 的铝主物理力学性要能与 材钢的 较。 比 13 铝

合 金材 的料本 构关 系  .

通冷加工 过来提高其 强 度 ,对 材板的轧 制 过 或对 程型

材的牵 引 均认 为是 冷 加过 工程 经 冷。加工 后 , 强 

图4 可中 以 出看, 合 金料 材没有 明 显 的 屈铝 服平 。文献 [ 台] 表 明 ,究 合金材 料的应 一力2 铝 研  变关系 曲线应可分 三为 阶段 , 个分别 为性弹阶段 弹、 非

 

度提而延性高降 。低

 1 结2 用构合铝材金 的物理性能料  

性阶 段应变硬化和 阶段 。 中其 口, 例比极限 , 为  为. 厂 。 

比极 例对限应 的应 , . 变性弹极 限,  为 s  为性极弹限

对 应 的 应变。

 结

用铝合构金料材 物理的 性能钢与材 相比有显

 著差。异的密度铝约 钢为的 3 1不在 同牌 号的合  铝/

中,金其 密在 度2 20 0/  k 6~ 08 0gm 之间化 )变铝 的 弹,

通将常残 与余应变等 于 0 2 相 对 的应应力   .%假

1表 铝 金 牌 号合及其性 能 与 用 

途T l  a  Alm i im l y d  sga in p,r oma c    np l ai ben1u n ual   e n i o ot e frn ead ap i t  c o

 F

由自 工 加状   态退火 状 态  加 工 硬 化 状态

适 于用在成过型中程, 加工硬于化热和处条件无 特理殊要求 产 的品, 对 状该产态品 力学的 性能不  作定 

适 规 用 经于 全完

退火 得 最获 强度 低的加工 产  

品0

 

 适用于

通过 工加化硬提 强高 的产品 ,度 在品加工 硬化后 可经过( 产 也不经 可)过使强 有度 所降 低

的附热处加理。代H后号必须面跟两位或 三有阿位 拉伯数字 , 示 H的分细状态。H后 的第面 

位一字表示 获得该状数态 的本基处程序理, 第二位 数表示产字品的加硬工化程 度种不

稳定状 , 适态用 经固溶于处理后 , 热仅室 温 自下时效的然合 , 金该态代状仅号表示产处于 

自品 然时 效 阶 段 

 

Tw

 固热处溶理状态 热

处理状 态

 

一用适于处热后理, 过 (经或 经过 )不 工硬加化达稳到 状定态产的 品T代号后。必须面有位或一多 位阿拉伯 数。在 字T面添后加 01 ~0的拉阿 伯字数 , 表对产示品的基本 处理 程序 ; 面后添再加位一

  (同于F 、0不 、 状态H)  

两位或拉阿伯数 字, 示表经过 了明改显变 产品特 性 特的工定艺处 理 的态 ;状 后之再 加添“ 1 、 5  

“” ” “ 11 “”2 “4或表示经 过消除了力应理 的产 处状态品号代  5 05、1 、5 5””

 

强度计 算

构和件 承的载力 算 ,计考 虑接 热焊影 响区 

42 (  4) 

这不利一 素的方法因是 不 的。同在 焊计接 中是 算对  度强行进 减 折 ,在构 件 承载 计力 中算对是 度强不折 

减, 而对 面进行截 折。  

减1

2 构4件算验 . 

焊.接铝 金合 件 构 载承 力的计算 , 通过 截对面  是 面积、 面 惯矩 性几等参数 何行进折 减, 截 对而 强 度不 作 折 减的方来考虑焊法接影 热区响 的利 不素因 G  。B 图

铝合金4材 应料力 一变曲   线应F

g4S r st-i   uv   flmi i m  o   tl l r .   tei ss r nc re o u  nu al y ma ei a  a

a5

942 (0 02 - 0 7 铝合 结 金构 设 规 计范 算》焊接 热 影   响区内因计料 强 度 材降 造低 的截成 面削程 弱 ,度 过 通引入折算 度 区强的 念概, 接热焊影 响 区 内曲线分 将

定超 为材出 料 弹 阶段性的应力 ,为 规 定 非比例伸  称

应 力,即图 4 中的 在.结 计算 构 ,  中 其与 。钢材 的

屈服 应力具有 等同 要 的重意 义 因, 习此上 称作 名  义屈惯服强 度。不 同牌 号 对的 合铝 金 ,义 服 屈强 度 名差异很 大 对于,结构程领工域最常用 的 为6 一66铝 0 1 T合 金 ,名其 义服屈 强 度和 3Q 5钢2相当 因此 。,结  从 构材料 的度强 要求而 言 铝合金 , 材

料用 于结构   将 工 程的构结构是件完符合全要的…求。

 布

的 度降强低等 效较小范 围 的折为算 强度区 内 形 

矩分布 强度的 图 5,  见 。

伯兰和奥斯古德格提出铝的合金料材力应一 应 变 函数

  :为 

  占 00 f =1/.+ 2  5‘0    

、   2

) 1( 

图 5焊缝 近附典型的屈应力 

服 Fg5 T pc  li  ets n ab  l   i .  y a yie ds rs e yr we ld

中: 指数n是应 变 硬参 数  化:  的函 数, 中 编 其 为对 应 残 于余应 变 为 1 的0应 ;力=n.%  

1 , 一 ’

图5

, htoe为y理上论 合金 铝材料 曲线分的  中 b布ah z

,r

 i nU

0 J21o  /  

,. 代表了不 同 铝合 材料金 - 占 曲线 非 弹 

焊的 接热 响区宽度 ,影 b

为折 算强 度半区宽度 ,  

即矩形形 状的算折强度 区 边缘 到 焊 缝中 的距心离 , 

段 变硬应 率化特的值征。 n =时1 材料 ,应力的 应一

变  系关为线弹性 ;n = 。 。时,材 料 的力一应 变关应 为系 理 想 塑性弹。   14 焊接影响 热区构与件算  验. 1 14 焊接热影 响区 . .

其 值

乘以 关 相放的 大系数 后即 G为  0 2 20 -   5B 94 7 《0铝合 结构 设金计 规 范 图 》33 2中热 影 响的区  范.

.围在 -b。 一范的 内围,   -4焊接热 影 响区 任意 内一 点

名义屈的强度服 可作看是该点 到 焊缝 中 心距 离的

 

的数 f函 (   )

±b在  

范 围的内, 折 算度强 

接焊过程中 , 材 临近熔母化的 区域, 受温 影高  

的部响分 叫焊做接 影热 区响 。 结 构用与钢 材 相 比,  

的名义区 服屈度 强 为: 怛,该 值为 热影 响 区 内各 点  名义服强屈度 的小最值。  

铝合金

构结对接 热焊 影更 响为感 敏。典 的材 性研  究型表 焊接明影 响 热区材料屈服应 力  : 为 材母  屈 降服应 力厂:的5 % ~ 7 % 。钢 结 焊构缝 接连中 也 0 . 05 存在焊热接响 影, 区结钢构热影 响 区 宽的度 小较 ,但

强 和度塑性 低降的 度 不幅大 , 此 因在钢结构 焊接 计 算 中, 需要考不虑焊 接 影热 响不利的 响影  。铝而  合金结 构, 接热焊 影响的范 围区大远于钢 ,材 于  位 接热焊响影区 母 材的学力 能性会发 生显 著 地弱化    

。2 焊1缝的力强度 静.

2 铝合连金 接设计的算计 

铝金合结构 缝 的焊 力静强 度算计中 , 除 校需 核 缝焊属 金的强 外 度

, 焊对接热 影 区材响料 的强 度  也须必行校核 进这点。与钢结 构焊 连缝接的计 算显  不著同 。  计算铝 合 金 缝 连焊接 时, 按 G除  02- 2  B 504 0 79

此, 铝对合金 焊缝 接连 及焊接 铝 金构 件合的 承 载

 计算力时 , 须 虑考 接焊热 影 响 引 起接连 处力 学性 必 

铝合 金结构设计 规 》范 第 9 中2条2、 ... . 92 3校核 条焊 缝金属 强的度 ,外 应还 G  0按 22-0 B54 9 (0 7铝合金  构结计规设范 》 第的92 4 校条 焊接 核热影 响临 区 .

.界 失效处 面的强 度 。由焊于接 热 影 响 区的在存 ,焊 

能 弱 化的不 因利 素 也 ,焊是 接 合铝金计 算同焊接 这 钢

材最 主 要区的别  

在焊接铝 金 合构 结设 计中 , 焊缝 接连 的 静力  对4  

缝附的铝合 近金材 料强 一般 度小 于要母材 的强 度 , 这也是与钢材 的要 主别区之 。

 

钢在构结焊 接连 中,接 焊用丝 时一 般要 使   焊

选强度略丝大母 材 强度 于而。对于 铝合 金 焊接 结 , 构  理合母的材与 焊丝 之 间 的 组合 宜 满足 : 母材强  度① 设计 值大 焊于 金缝属 强设计 度值 ;缝焊金 强 度 属 ②设 计值大焊接于热影响区强 度 设计值 原 因是。在焊 缝  处生的破发 往坏 往表现为脆 破性坏形 式 接,   热焊

影区处发 响生 破的坏 通常现 为延表性破 形坏   式  ,() b

搭 接 焊角  缝)(形 角 焊缝 cT

图7临界失 面效F  

Fsg 7 Cr i aa lr  ' c u S i  .i lci e s la e F  t fu  ̄

在焊缝设 计故时 , 般 宜一 破使 尽坏 可 发能 在生焊接  影 响热 区 样, 使可 焊接 点 节破 坏前在具 较有 大的 这

 形 变能力   2。2临界 效面失 . 

上 ,缝 并 焊缝群将 的 强设度计 化 为转焊缝 群 各中条   缝焊的强度设计  。方法 1假定每条焊 缝担 的荷 载直接决承 于定相 : 邻

材母的应力 。  

金 对 材属 料, 同度强 度具 有 一定 的 等 价 关 硬 系   因此 ,, 接焊影热区响分的范 围布和材 料强 度 的 低程度可降以 过通对从 件 焊取样 上工加的硬 度试件 的测试来得到 。  6图 给出了个具一有 代 性表 对的 接 缝硬焊度件测试得的 焊接 热响 影区的 氏维硬度 布  曲线分, 件试材母铝金合为 6 一66厚度 6m, 1 , 0Tm 焊丝  为 50 , 为口 单 边 V形3 。 采用TG 手 焊 焊 工 A 6坡 , 0 接I 。图 6的硬 分布 度曲线 也可等 价该于试 内件 的引

度分布 线曲  。

法2 将焊 缝看群作分 离 出 来的结 单构来 考 体: 虑载荷 它各对部 的分 用。作   中方法 1其 用适 连接节于 处点材母应 力 分布较   确 的明焊缝群。 采用而方 法分2焊析缝群, 常可按通 线 弹性 假分定析 算。当充分计考虑连 接节 点中所有 焊  缝变的 协形调 件 条 ,后可 采用 极 承限载 的力 非也

线性分方析法计 算 。

  24铝合 金结紧固构连接  .件

合铝金构 结紧固 件连接 括铆 钉包 接连、 通普螺   连栓 接及以高度 螺强连栓 接铆。 钉接 是一种 连可  拆 不卸连接 , 种的 接连方式 在 代钢现结 构中 被已 舍 这

,在铝但合金 连接 中 被 仍广泛 用使 根。据连 工接 艺 的不同 ,铆钉可 分 三种 为类 型¨ 普 通即 铆、钉 ,   

抽芯钉铆和 芯铆击 钉 根。据 国 内 应 用 状现, 芯 铆 钉

抽和击铆钉主要应用在芯度很厚薄 .( m 内)以 2 m1的铝  合金板连面接 中 而普, 铆通钉 可用 于结 构要主 受 

图力 6对接 焊缝 热 影响区 氏维度硬分布 

F g6 Vi k  ra d se d rs u n i   i. i  ce hs r ns  tib t  n HAZ o  u w t l io  bf ted

构件 之间的接连。 通 普铆 钉用可 以下 料 制材 ”成   :

碳素钢 、不锈钢 、 铝 合金。在 合金铝结 铆构 连接钉  

中应 尽量 用铝 采金合铆  钉 ,要尽可 能 避 免铝合  金但

铆钉承 受拉 。力

 由

图6见可 图中,的 D 、两E 点 ,处该强 度降  低

程的度 大最, 是 整 个接 焊热 影 区响乃至整 个 焊接 接 头内最弱 薄的部 , 位连 接缝 破的坏往 往发 生在这  焊 一

用 于 铝

金合 结构 连接 的 通螺普 应栓符 合G /  B T 5 8 2 0 -《 角头 螺 栓 》 或 G   /7 0 02  72 00 六   TB 5 8 -00

。置临失界 面就是效 指焊热影接 区响强度 降内

《  角头栓螺c级 》 的规 ,定 螺通 栓料宜材采 用  六  普

合金铝 不、钢锈 螺栓, 也可 采 钢 螺用栓 。由于未 作  表保面护 的 螺钢 栓铝同合 金构件 之 会 间 发生 触 腐接  ,蚀故 用钢 使螺栓时 , 必 做须好表 面 理 , 且表 处面镀

层应 具有定一厚度。  

度幅大最、 易最发生破 的坏险截危面 , 于 型典  的 对

焊连缝 接,图 7中 用 F在S面 表 示对接。 焊 缝 的界临 

效失面为焊缝 趾焊处平 行 焊缝于轴线方 沿向构件厚  度 的剖 切 面角焊缝 的临界失效 。面 为缝焊趾 焊平处 行 于缝焊方 沿向件厚 度构的剖 切及 面焊角

缝 的脚 焊 合面  熔。  2 3件 构焊群 缝设计的 . 合铝金焊缝群 设计的方 , 法采 用可以下 方法  

一之

合金铝结构接 连中采 有预用力 的拉高度强 

螺栓应合符定一 的适 用条 件。由于铝合 的金弹性模量  较 低 , 在大较螺的栓 拉预作力 用下, 别 特 是当强高 

螺度 的抗 拉栓强 远度 高铝于 合金 连接 件的抗 强拉度 时 如不采,取相 的特应构造 殊施 措(如采 用 大较直 径

 5

将作

用焊在缝群 上 荷的 载分 到配 条单 每 独的焊

 

的质硬垫圈 很) 容易 发引铝 合金连 接 件 的表 面损 , 伤, 而 出进现栓松螺弛 预和力 损失拉 问题 等 ,影 而从 响连 的强接度。 外 ,此极 温端度 变 化 或接 较连长 

时在 (构在 的节点件或处拼接头 接的一 , 当端栓 螺或铆 钉沿轴

受力向 方向的接长连大度 1于 倍的螺或铆  5

钉 的孔径 )栓 因 合金铝连接 件 与钢螺 之 栓不 间 同热的 

导传系引数 的起 擦面抗摩滑移 系数 的变 对化 连接 节

强度点影的响应效 , 设计在中 也应 予以视重。   52 普螺通栓杆方 轴向拉受接 连的撬中 力作 用  .

 杏 

杏 

_ - 

由  

4   I Ll l旦 ‘  

()2I 节点螺 形连栓接 面立图   C )节 形点螺 栓连接平面 图  XaT o T双

关 于普通

栓螺杆轴方 向受 拉 连 接的 计算 ,G   在B 0 57 0 (20 1-0 钢3结构计 设规》范,   中不要计 算求 撬力, 而将螺栓 抗的拉强设度计值 降 2低% 当,于考 0  相虑

了 %2撬力的; 5 但 某些 情在况下撬 力 与点节 受 

图 承8双 T形节 点栓连螺接

 轴 的拉力 的向比 很 可值能会 超过2 %, 而 致设导 5

计从 不 的全安 。G  02 - 20 《金合结构 设计 B 5 4 90 7铝 范规》 求要考虑 螺栓 可能 承 受的由 撬力 引起于的附  加拉 力。 撬 作力用与诸 多 因素有关 , 主要 取 决 于 但 连接 抗板弯 度 刚螺和栓杆 轴向 拉 抗刚 度 的值比 ,   该值比小 越 则撬, 力引起的不利 影响大 越。  文 献[3 研究 了如图8 所 的示 由 个螺栓 连接 41]

Q 

.,  P .  

QQ   

于++   Q

Q Q 

  ∑

  2 

 I

Ⅳ∑ 2

 的 T双节形点, 在心拉力 P作轴下用 可,能发会生 的 

三种不 同的 破坏模 ( 9 式 , 图)即 破模式 I坏T形构 

为(破 坏模 式I a )Ⅱ

)坏 模式 Ⅱ b 破

 

() 坏模 式   c破Ⅲ

件栓螺洞孔处及T 形 件构板 与腹缘翼 交处产接生塑  铰性

破坏 ;破 坏式模I T为形 构件腹 与翼板缘交 接  I

处产 塑性 生铰, 同时螺 被 拉栓断 ; 破坏 模式 I 为  螺II 栓被 断 拉。图9中 黑 色点 圆表 代翼 了 缘现出塑性  

铰位的 。置

 图

双 T形9点节螺 栓连 三接种破坏模  式

Fg T9r ek n s o l ar d   f h li. h e    id  f f iem e o o o t u

  

个螺栓下孚 面的连接件 生发 冲了破切 就意坏 着该味螺  退 出栓作 ,工节点 的承载 性 将显能 著 降。因低此 ,冲  切破坏 的危 性害很 大 ,设 在 中应 计当重 视并 通过   算避计免发生  。

 02 -2 0 (B54 90 7 铝合金 结构设 规计范 》出了 给 上述三种破坏模 极 式限载承力算计公 式 当。T形构  

件的翼板较薄 缘时 ,点节容 易发生 模式 I破的坏 , 撬  力 非 Q常著 ,显 对而于它类 型受其拉型螺栓 连 接,在  计设 中结应合 际情实 采况适用 的当方 法析计分 撬 

力算的小大。  

3 铝 合板件 金的效有截面 3

1件板屈 后强度曲的种计算几法  . 方由 于铝合金材成本料 高 ,经 角度考济 虑 从, 型  截面设材通常相对薄 计弱 加,之铝 材弹 性模小 量 ,局 部稳 定问 更 加 突题出。若 制受限压 件 的板 厚宽 ,比保 

2 6 螺栓 及螺头母 构下件 冲抗 切载承力计算 . G  在0 1 -2 (0 5B0 7 0 3 钢结 构设 计规 》范, 不  中 并 要验 需算通普螺栓 在 轴方 杆向 受 力拉作 用 ,时   螺

头及 栓母下螺构 件抗冲切 承 力载设 值 。然 而计在铝 合 

金构受拉结型 螺栓 连接中 , 当 点 承 节 的受 荷较 大  时, 往载往采用 强度 较高 的 钢 不或 锈钢螺 栓 当。螺   栓料材 的拉抗强超度 过铝金 连接件合的 名义 屈 服强  度较时 ,多如果 栓杆 中的螺 拉应较力 大 ,螺 栓头 则或螺

母 对接件 连压应的力 可能 会超过有连接件 材料的 名 

证板件

体破 整前坏不 发 局生 部屈 曲, 不即利用 板件 的屈曲后强度 , 则 截面 中 受压 的件板必 须满足 更  小

宽厚的比 限 制 (约钢板为宽 厚比的 12 / , 设)截面计将  不很经济 。  铝合金板件 屈 后 ,曲 着随面外挠度 的 增 长, 板  件中的会面 生 产 当大 相的薄膜拉 力 薄,拉膜力 的出 现 反过来又 延可缓度 挠发展 , 对板 件的起着 支持 作 ,用 

义屈

服度 , 从强 引起铝合而金 连件接的表 面损伤 , 甚 

至会成造连接件的 切破坏冲, 图 1 所示, 冲 破切   0如 该坏实 上是际发在 生柱形冲圆切面上 的

剪切破 坏。

对 于螺栓 及头 母螺下 连 接件 的冲 切 破坏 ,于 属 脆 破性 ,坏 可能 在节 承载 过点程 中突然 发生。 若某 6

 

从 而

大提 高大板件 的承 载 力, 远其 超 板 过件 的  临

界使 屈荷 曲载。有 效 地利 用 板件的 屈曲 强后 度,以 可  更 好地发 挥材 性能 料,到 经济 的 的目针。 在 对  设达

计中利用板 件 曲后屈 强 、度 虑板 屈件 曲对 构 承件 考 

1 图直强接法 度

2F g 1  D ic   n t   t ot  i. 2rts ghe mh e ed

r(

连接件 受沿螺栓 杆轴   ) a方 的向 力拉用作 

()

b栓 螺头 螺母对或 接 件  的压连 应力

 采

用构件将截面受 压 区的板件厚 度折减 的方 法来  考

局部屈虑曲 焊 和热影接 响应效 其。截 面的 弯受 承载 

M力 为d   : 3   

dM- WIo 3e =ff2 f   _   ( 4 )

,中  

 

基为于有效厚度法的 效截面有模量。  

圆柱(形 冲 切破坏面  c )

图 1铝合 金 接件的冲切连坏  破

F g0 1  n hP n a rl  fa n uuf s n r.i u0c g if i e o  l i mm ait e  ue

载影力 响 问题 , 用 有 效 截 面等 的方法 加 以解 决。  

采前目 ,效有 面特截 性的定有 三种方法确  ,即 我①国  G   0-1 2 0(B 05 8 0 2冷弯壁薄钢结型构技 术规范 》  采用 有效的度法 宽 ; ) ( 204版 AS( 弯 壁薄 钢结型构   ̄0 I冷 (I 设计规范 》用 的直接 强法 度 ③¨ 欧洲 范 规E 采  ; 9 C 采用的 有 厚效度法   G。  0 2 2-0 《合金   结B54 907 铝 构设计规范

》采用的即 有是效度法 厚  。有 效宽法度对 截面折 减示 意图如的 图1 所1示,  实线分部为有效面部 截。分 截面弯受 载承力 可 

图 1效厚度有法 3

  g 1 F  E f ciet ki es me hd i . 3 tf   chn s   o   et v

32

有效厚 度 的法适 性 用.

铝合金 制 造中挤 压 工 艺 非常 灵 , 活压挤型材   则截 面的可能非复常 杂。 采用有厚效度 法 的念计 算概 受 板压 件的有效 截面 , 了计免 算受压 板件 效有 宽  避

分布的 题问, 化简了 计设过 程 ,于铝 金合 材型这 对 种 可

有能复 加杂 肋劲 构的 件说来, 处理 方 具法有  该 实 性  用。  33 有效厚 度法计的算法方   铝.合金构构件结 考局虑 部屈 和焊接热 曲影响效  应 取 的采效厚度法 有最终效 截 面特性通 有迭代过

进 行 计算, 并确 定 每 迭次 代程 中过有效 截面 的 形 。 状 

以过通 ( ) 式2 计  。 算

其 中,  

d  M ff _, l 『=o  . b: ( 2  为有效宽度) 中法的有 效面截 量模, 0为  厂:

料的屈 服强 度。  

 G02 2- (0B5 4 9 0 铝合7金结 构设 计规 范 》 定 于 , 规

对非焊截面 , 接受 压板果件 宽厚 比 满足 大宽最 比 如厚 

求 ,则效有厚 度为即板件 度 ,厚则 , 否 以按 照 压应  力不 均系数  匀计算得 的厚所度 为作板此件 有厚 

效 度。压应不力匀系均数义定为:  

图 有1效宽度 法 1 F

g I   fE ci wet i   o t i.   1 f   dt hmh ede v = 

/r

t  

) 5 (

中: …其 受压板为件边缘 最压大应力;   

为受压 

直接 强度法算计示 图意图如 1 所2 。该示法方  毛截将 计算所面 的得力应值乘 以 屈曲折 系数  .减以计  考算虑局 部屈曲 影响 的 截面 承载能 力, 截面 的  受其 弯承力 载d 为  :_ 2  

M = W  f 2 soK L  () 3  

另件一边缘的应力 , 以压应为力 、正拉应 力为 负。 对  焊于接截 面,接 热影 响 的有区 效 度厚 要取  焊虑考 部局 曲的屈板件 厚和度热影 效响应 度 厚的中 较 值 小 ,由于迭 代程过 中 面截中 和 轴位置也 即压受 区 

位置

的不断变 化, 导 致构件 有截效面形 状 非常复杂 。   文仅 中以工程 中常用 的字工 形 截面为 加 以例说 明  , 仅在 强受轴 向单压弯荷 作载用下 , 照 效有 厚 法度 

7 按 

中 为毛截 面,模量   。 有效

度法对厚截 折减 面的 示 图意如 图1 示 ,3 所

 折减规

则 绘,各种可能制的有截效面示 意图 。 

字截 形面缘翼的净 宽度 b 及腹板 的净 以度 高

h图1 如所4示。  

6  

 

图 1 字工形 截翼面 缘净宽的 度b 4 

以及腹 板的净高 h度  F

1g  N e d bo lhn ea n td hh i i.  4 titw  ff g     n e egt a h eo  Isf in fw b co  e t  o

) ≥3(h , b> w6a6 Fh 2h

) < F bh h 2 b  3h ,b>bw

图 焊1截 接  面≤, >0  2有效截形面状 6 hb

F 1   Egf cie s c n s i a o e  i gl scin i 6 fe. t  e t h p  f v o wed n  e t  o

whe   ≤ 0 >,2bw n h h 

3 3

1 焊接非时效截有面  .

.t设 为翼缘 只 考 局部虑 屈曲影响 有的 厚效度,  t为 腹 只考板 局部虑 屈影 响的曲效有 度 。厚  () 1 腹 板应压不力 匀 均数 系 0时≤效有 截面 形

如图 1a状 。示5 所  

 ’  I

 l

—  

 l  

l l  l 墨  ’ 

。岛  ’

( ) 2板腹应压不力均匀 数系  >时有效截0面形 

状如图 1 b 。示 5所   l

 t  b

』w盟  

  J

  J

 ( b

3h, < 2 r  a bF h bw > ) ̄ ̄

)( bF h 2<h  b b3 h , <b  ̄w

 图

1焊接 截  面≤, 0≤2 7 h bw 效有 面形状截

F g 1   E cf ie sc ins eao  l i gs c nii . 7f t  e t   p h w e dn   et   ev foo h nwe   ≤0 h≤,2 h  b w

 ●

w【f  b

)(2 腹压板应不力匀 系均 数 >0 

叫  

() a

非 焊接 面截    ≤0 )(焊 截接   面0b非 >

  。刁  

① b

h6 >b时 效有截面状如图 1形 ≥a  23 8   ②所b < b h > b时效截有 形面状 如 1b所  3 , 图 2 8

刁。  

图  1非焊 接面截有效 截面形  状

F5g 1   E fc i s ei c sn ae o   o- e dn  e t ni 5 f .  t et   h p  nn wl i s cg   e i vof o

32焊接 时有效截  面..

设 为翼b缘焊接 热响 区宽影度  ,为 腹 板焊   b

接热影

响区度 , 为翼高 缘只 考虑 焊 热接影 的响有  t效

度厚  , 为腹 板 只虑考焊 热接影 的有响效 厚 度; t  t 受压翼为缘 接热影焊 响的实区际计 算 度厚 ,t   取  及 t 中较小值 ;   为板腹受 压的区焊热影 响区接的  t

实计算际厚度, t及 中较小值 。 取 t     ( ) 1腹板 压应不力均系数匀  ≤0 ,假定面截  且

上缘受压 翼(

b 3 h,> b w >a b Fh h2 ) ( ̄ < b)Fh 2 h b  b 3, h>bw

≥3  ,b>2  b h b w有时 截效面形 如状图 1a  

所6 。  

示图 1 焊接截

面  > , 80 h>2 h  b效截 有形面 状F

g 1   E fci e s ic sn a eo   e dn   ten i  . 8f t  ve t  h p w l gis c  ie o ofw h n>, >20h   e  hbw

<b3  ,b >h2  有时截面效状形如 图 1b b6 

所 示

 ③

≥b h3 ≤h   2时有 效截面状形如图1 a F,b b9  所示 。

 

③b≥3  , bh≤   2时效有截 面状形如图 1 a b7  所示 。  

④b 3< , bh ≤2  时有效截形状如面 图 b1b  9

示 。所  

④ b<  , 3b ≤h2  有效时 面形截状如 1图b b  

所示7 。 8

 

针铝合对构金有效件面截计 ,算 B54 92 0  G   2 -07 0

507 20 { 结 构 设 计 规 范 》以 G及 0 l—   0-10 3 钢 B 085

f   卜    

l( )>h3,< h2  a bFhbbw  ̄ ()  ̄< bFh t 2 bb h,3 <bw ̄

20 (0 2冷 薄壁弯钢结型技术规构范 》相中关公式 在 形

式上致 。由于一考 虑到屈 后曲强 使 度用以 及 接热焊 影响效 应 ,截 面积面 、 面量 模等需要 按有效照 厚 度 截法折 减 后的有效 截面性取 用 特; 外另 铝,合金 件构 截

面塑性

展发系 数  、受 弯件构 的体整定 稳系  以 数及轴 受 心 构 件力的 定 稳 系  数计的 算公 式与 G  B

57 00 ( 021- 0 3 钢结构 计规 设范》( 不并 同相 。  1 铝合 金构4 件面塑截 发展 系性 数  .引 截面入性 塑 发展系   数 考虑, 截面抵 抗矩 的

 图

1 焊接截 面>0 6h9 ,≤2 h  有效 面形截状 

Fg 1   E cie fsc i s n eao  li g cis i.n f9 t  et h p fwed n   et e v o ow e  >0 ,hn h ≤2 h   b w

铝合金结构计设 规范》 制编组 研 发了 算计 序 ,程  图2 0 显示 其 使了用 界 面对。 铝于合 金 构件 在 受轴 向   力、向受 弯、向 压 弯、 受向弯 和双 压向弯等 情  单 单 双

况 ,序 实 程常现 用 焊 或者 挤接压 成型工 字 形 、该 槽   形 、、 形矩 形 C及以 带肋形 矩截 的面效 有面 形状截 自 

增 大, 则 面抵抗截矩弯为  ’ 

M  :f = y  o   Mo( ) 6

中 式,为 截面量模 ,   

弹极性限弯 矩。  

结钢构和铝合金结 构 截的面性 发塑展系数     以可作看是一折个形算系数状( <y1<,   。这里 。  为  截 形面 系状数, 指截 全部面进 入塑 时 性塑性的系  是

动绘 制 截 和面性 自特动计 。计算算软件 界面的 右 上 角毛截为面形状和 尺寸参数 ,击下 角左“ 点算计 ”按 钮后 , 出信息 为经 “效 厚 度 法 减”后的有 效  输 有截折 面特性包

括绕截面强轴和 弱两个方轴向 的 有效

截面 

值) 。 于铝合对金构 来说 结,  性塑破 极坏限状 态  不完全

取决 传于 统 截的面 塑 抵 性矩 , 与材 抗 的料 还 非 弹性能性有 关。当截 面边缘 力 应达 . : 到卸  厂 载再0 时, 结构 已 发生经残变形 余 。u  

 

性惯矩、 有效 截 面模 、 量 截面和 效 有 截面 积面、毛 截  面最大

以及最 小力 应(以 应力 为正压) 经过折 减 后、 有的效截面示的意图和折 减后 面截的轴 向应 分力 

的示布 图等。  意

馥 面  嘣 和  多 

对 受于弯钢件 , 欧构洲结钢构协会 建议 : 过 通控

制塑发展最好性 纤维的 的残应变 余占来 限制 件 构  

载后的余残 变 形,提 出最 残大 余 变应 不超应过  并最

弹性应大变   = ̄的E 7 5 对于钢梁。来 , f/说 %.当  满   ≤足 75 8的 制限条时 件, % . 在绝大多 情况下数 

l  l ~

  7

残余挠 不超过 度L I , L I00/O 0 而 / 0O认 为被制作是公 差引 起的几 何缺 陷容 值许而。参考 该方 法, 由 于  铝金合材料的 性弹 模 量较小 ( 只有 钢 13材左 右 )其  / , 相残余 挠度普对遍偏 大 。数据 证明  ,对于如  铝

合这类金力学 性 变能化 范围大的 材 料 列系, 述 限  上

  ■l  l 7l _ l 

化硬 

强 化 

硬接焊 息 信

0 弱 化 硬

说明  计算 误错  剧 酉善比倒伸 长 唐m力 2 2   0  0  

有效{ 面截计 算 粜结( 长 单位度u na r)  截面正 2应Pa  , 4JM 截 堡 l面 力要  

… —

制残

挠 度 余 方的法 往往 偏 于 不安 全。 G  0 2— B  5 94

焊囡 接簟面  

02 ̄ 7 铝合0金结构设 规 范计》 采< 用Mzo n限制 余 残az li a

、   

f j  

嚣医度   一  嚣强折

热 响区粒 宪度b犯

  h

毛麓面

 

一  

大最I   一

一: 曩 小  

 L 一~ 一 J 一    …  

积1

《 m 2目 1 

。 : 

挠度

  的方 获得塑性法 展 系发数y ,   截即 面 的 塑 发性系数展 应保证 梁在 均匀 弯 曲的情况下 , 中残  跨

j0   一

 

} ;

 

= == ==: :::  

退 摄度 火

 

} 0 

2 绕计算参数  轴 绕 j计算参数  轴 麓 2惯 性矩 厂 ~… ]一绕 3 性 r   一I惯辘 轴; 一  ~

l曲  ) …… 一 一 J懿 帅“-  L …-…I 【 一 .

 荷载 ( ,K*N    M

余挠)度   小于跨 长 的其一某倍 数。样这 ,残余挠度  及残余应变 与s 料材种 无类 关 只,过

通跨 高比     而L h与

的几梁何 条件联相 , /系即 

v   =) 7 

(W

3鞭1 面 L , ,1 1 j… }   一  受 压为 正)   : : L …  ~l 耀 弯撒t 绕 }穰2     葡2 轴;弯  炬0 一~… ~j   弯, mt  翰 绕 穰一…  ]…  静

3由   胁 鼍 弯 … ~   

 …_ _袭  _ 一l _ 管 ■   Ⅲ

 嚣嚣

嚣 _ 嚣薯 一l  一l   

[ 委r二]

_

 

二塑[][   =

=图

2合金构铝件有效截面性特计算软件 0 F

g2  l C i  lowr f  f cve  nti.0 a u a ofs a eoe et e sco  ctn  rt i ifp

oe t s o  lii mm mb r rp re  f un u m e es a

经公式过推导 及计以算表明, 若取 /=1O1 0 / 00

在均弯匀曲以 及不同跨 高 比L h的情 下况 , s述/ 上   小铝于金的名合义屈服 强 .度 应 对残的余 应  变 

0 = 02 。而 因, .0  若保证 匀均弯作用 矩简支梁 下 

满4 铝

合金本构件设计理基论据 

为便 于依用应 ,5B4 29 0《  0 G 2 0- 7铝合 金 结设计构 规范 》 制 过程 尽 中 可 能 构 件 使 算 验 式 公 与 G  编

B足上述 定规的容 许残余 度 挠 时 边, 纤缘维 的最 应大  力可能达不.到, 厂 但考 到强度验虑 算采中强度 用设 0    计 值ff :y 而变验算形 针正常使对极用限状 态,= o  /  , 通常 采 用度标 强值准, 最 后确 定截的 塑性 面 展  故

发9

 

系数适

放当宽 ,即当塑发性 系展数小于 时取11 。    总 , 之合铝金材料截 面 性 塑 展系发  数 随 截着

 计

规范 条文说》明 第 7章“ 受心力 构件 的计算 ”轴 中   式( 的) 9。 其 中, O(= 一)   t   构为件考初虑弯始曲 初 及

形系数状O /的 增大而增 , 随大高 跨 比Lh的增 大  / 而

小  。弱减硬化合金材料的 性塑展发系数大 强于 

心的系偏  数。= /() .E相对长为比细 。  A  ̄o叮 『2 /  

通过量的试大验 以及理 论分 析结果 进 数 行 拟合 ,   可据  :得 于弱对硬合化金,L= 02  ,0 1 对 =O . A . 5; 于强0硬合 化金 L,= 3 0 ,: 1。0 O5A ..   432 受构弯件的整体定系数 稳.. 在条文 明说 第7 “章 受力构件 的心计 算” 轴 的公 

化硬金 。合

4 2  受构弯件弯稳定扭界弯临 矩 .  的确定 

受弯构件 的整失 体稳

通 常 现表为弯扭 屈 曲, 整  体 失 稳的原 有 因 ①截 :面压受翼 和相 邻缘 分部  受腹杆 如同轴压 心压 一样杆, 着压随应 力 大其增刚  度 下降 ,当 刚下度 降到 一程度定后 , 即 不保能原持 的来 平衡位形 ; 由于受 构弯件 拉部受分 的束约, 曲变  ② 屈

不可形 出能 在 现梁 平 面的 ,内 而只 可 能现出在 平面

  (式) 以  代替   ,受构弯 件的体稳整 系定 9 中, 即

数得 的 公 式,即 为G  02 20- B《 54 9 7 0铝 金合 结构设 计规 》范附 录c公式 C 1中  。一其 中 , L/  一) r = O ( 为 件构几的何缺陷系 数 ,

外 。虽然  出 平面的侧 变向 也形 受到 部 分牵 制, 但其 

作制使用在梁 向侧 曲的弯时同现扭呈转变 形。  铝

合金 构 件 弯 稳 定扭 界临弯 矩  可由  GB

49 024 0 - 027 铝金结合构 设计 规》范录 c中的 公 附

式 4c_ 求 得,公式 的来 为源基于能量 推导得法 的出适 用于一 般 开口薄壁构弯扭件屈 的总势曲能 方 程 )  8,(对于 在主平 面 承内横受向 荷载的 梁 ,略 掉 件 构的 忽 小微纵向变 形, 予给几种 典 的型受 力 况 和情 典型 再

, 为合构 弯 稳 临 弯 ,   M 铝 金 件 定 扭 矩界  

而 数 参O、 通过量大 的试 验及理以论 分析结进 果t    数行拟 合据得 到  于: 硬 弱化 金 , / 合20 ,对 O  = . 0 。 .b0=3 于强 硬对化 合 金 / ,.6 O b; 0=2,。 . 5 

 .

 =

0 .03

 边

界件条 B5( 9 24 《 G  00 2-0 7 铝 金结 构合设计 规 》范 

附录c 表 C , 2)-即 可 得到 梁的弯扭 屈 曲 总 势 能方 

程 :  

= 

5 铝合金

面板 

5 1铝合金 面  板.

r   1 —

 

铝.合板有重金量轻、 防水 、 易 工成 加 以及连型  容

J E {  +EI w( +I+ M ) 一 M u   u [ 1 OG 2t    2 x 0+  

2  0 —  2 0一 qn )2+ 出  )(Q Q“0 ( 0  ]8 

便方特等 点。 与彩钢 板相比 , 合金 板 面 有又抗  铝污 、 耐染盐 雾、于 保 养等优 点、别是 加工后具有  易 高技特 的特征 术 光(平洁整 、泽匀均、 色 挺括美观 )。国  

式中: o荷为作用点载 至剪心的距 离, 当 荷 载用 作点 

在面截心之剪上时取值正; 任意为截面的 剪心其 在 

自身平面 沿截内面心主形轴的位 移;为 截面绕心  0

内剪外 的工程践表 明 , 实铝金合

屋面 统系 、 面墙 系适统 

应代现工程结 向构大 和跨质轻 向发方 展及 以承恶  受条劣件的需要 符,现代施合技术工业工化求要 。 

 合金铝面的常用板 面屋统系有 立直锁 点 支撑边

的转角  其。它参 的意 义如 同 G数 0 2  20-《 B 45 09 7铝 合金结构

设 计范》 规附录 C 在。总能势 方 程() 8 推  导过 程中, 引 入 Voa 提出的 两个基假本 定 l: v ①s构 件

屋系统 、 面边 咬合 立系 、统 角转立 边 咬合 系双 统等  , 常 的墙面用 统有系 正弦 纹波板 墙 面系 、统 板 形  墙梯面 系 、统典式扣 盖系统 。等 古  合铝金屋 面 统系已在 国 内 得到应 用 相应 ,的  但 算 方法计不尚善完, 部分 工程 中 , 计通 常 参 国照外  设的有关规范 。G 0 1 -20 《 弯 薄壁 钢型 结构  5B 080 2

面的剪应 变 中零 为 变 ;过形程 中横 截 面 的 形状保  

持不变 ;② 也就 说是 管各, 横面截可能 生产 垂直 截 于尽 面 翘 的曲, 其 在身自平 内面的 投影始 终保 持固定  但

的 形状 。 43  轴心压受构件 的 稳定系 数 以及 受弯 构件 的 .  整稳定体 数系  确定 的

设计 规范

》仅出提了梯形 型压钢 板的计公算 式  。  也

G 0 - 2 2  ̄0 54B 9 07铝 合金结构设 规范计 题》基组于  课 铝 金合立直 锁 板 边承 载试力验 以及相 关计算理 论 ,  提 出了铝合 直 立锁 边 板 的金度 强稳定计 公算 式 、 铝 合 金面板 T形托支 稳的 性定 以及铝合金 面板同时承   受截弯面矩和剪  的力组作用合 等关 相计公 式 。  算 25铝合 金面的板强计算度 . 铝合结金设构计规   中增加 了范铝合金 直 锁  立边板的 计 算 理 ,论计 算公 式与梯 形 板等 同。铝相  其

  02 - 204 B54 9 0 7 铝合金 结设 构计规范 中》 轴  受压心构 的件稳定 系  以及 数弯构件 的整受体 稳定系 

 数的确定 方 法与洲欧规 范 9E稳 中定 系数的   确C 方定法类似 P,r o- esn 式 出给 ,  由er R bro 公 yt 表其 

达式 即为

G 0 2   -20 4 5B 4 097 铝 合金结构设规范》 条计 文说 明 第 7章 “轴受力构心件的计算 中公式” ()  。

9 34 1轴 受压构件心的稳定 系  数..

计 算式公 为 G即  02 - 2 0《 金合结 构 设B 459 70铝 1

 0

合金 面板强 计度算 的重中要 参 数 为 效有 截 面的确

 绕强在轴单 向弯压荷 作载用 下有 效厚法度 折减的   规则

, 了出种可 各的能有 截效面示意图 ;给 阐述 了 合铝 

。表 4 为 济大同学铝合 直金立锁边 板 载 力试   承验

型在支模座 的处效截有 面属 性比较。从表 数中据

金构 截 件塑性面发 展系 、 数构 弯件 弯 稳定扭临 界   受 矩 弯及以轴心压构 受件 稳的定 系 和数受 构件 弯的 整体 稳系数定 的值 取依据 ; 总结 铝了合金 面 板中 面 

板支与托的 算方计 。 法 但是 , 国 对内合金铝 结 的构究研起 步较 晚 验,  试 数还据 比缺较 , 乏新布 颁 的G  02 - 02 B{ 4 9 0 5 铝合7 

可金看 出以 , EC 和9G  02 2 0-{ B 5 9 4 70铝合 金结构 设 计规 》范计算 有效面属性和截试结果 比较验接近  。表

铝合4直立金锁边板验 以及试理论计 算据 数

Tal     Ex e i n   a u e  n t a cl o t   eu t be4   p remt r lsl da c l u a n i r ls ss

计 方法算  验试推 

EC 算 9

结构设计 规》 范有还多值诸得 善完和改进 的 地方, 在 

222 2  .2

1.   0 2

3.8 6  3

. 01 0 

4 19.  197

一 5

 

一25 % .

铝合金构工结 程 践实 中 发 问现 、 继题 深续入 开 相展 关 研的究作工十是必要分 。  的参

考 文献 

[ ] Mazli   1  o zn M .uAnu   lys utrs M] 2 d aF lia o t  ec . [ nmi ml r ue

I y.:Ca ma & aHlL n d o l tah pn l o d n1. .9 9 5  

71 . 5 4 %189 0 .

GB5 4 920   2 4.    O2 _—0 7 0

13 2 1. 1

 1

24 .  3 7 %6 2%  2 80 . .5

5 铝合金支托3的定稳验  算

直立锁边铝.合 金面板承受 的荷载通 过 T形 托支 传递 给檩条 , T形 支托 需按除压轴构件行 的进度强计  算 外 还需进,行定稳验算 ; 托可简 化为等截 柱面  支 型。模由铝于金合T形 托 支往 并 往等 截 非 , 面因此在 

] E9 Ds n o iui su mte [ ]rN 19 — 2  C e i   fml u  nt cs S .pEr  99   g a r u1

1CEN ,,rBs —lu se s, 19. 7 9

 [] G   20- 20铝 金合结 构设计 规范 ][G   35B4 9 0 7 S.( B

54 92 0  C d o   e in o  l m i im t c u   e02 0- o7 ef

rd   fsua n ur s t s rgu

铝合金部分对其板 算计行 补进规 定 充。计算其公式  

G 见   2 -020 铝 合 结 金 设构 计 规范 》公  式B 5 49 0 《71

. 1. . .  1 33、 1 3 。

4—

] i [Ci ee) S .n(hns )   [ ] G   1-0 20 钢结构设 计范 [ ]规 (B50 7 4 B 05 703 S.  G0 1  2 0   C d rds no te   utrs S .s(n0 3oe f  ie  f sl tcue [ ] i o g  e  

rC ie )eh s)  n

在际实程工中 , 金 合T 支形 托一端 固 定檩于 铝 条上 , 另 外端一锁直立在 边 内 因此,T 形托支的计 算  度长数系  的论值理范 围为 70~.  。 考虑到 在 . 02规范 制过编程 中由试 验 到得 支托的 坏破 据数 有限  , 而厚板、 型对 支托侧向 支 撑影 响又的比较 杂复, 铝 板

jG 0  208 弯冷薄型壁结钢技构规 术 [范 ]5   5B 1 02 -0S .

( B  01 - 20  T cnclo f eo— re  G  5 0   20 eiah8   d oc c lf m dod

—iatl sutrs S .(neCiee )hn   we ltc e [ ] ihns)  l  rsu   [] / G6  7 -19变 形铝 及铝 合金 号牌示方表法   6 B T1 44 9

[6 ] /  67 G -91  r gWatm iu n   S ( B . 1T 449 6oh l n mda u  u a imn m a o : D nts n ssm ][ (  i li i  yl uu l iea i  y tS. g eo n 

Ceei) hn s ) 

合金结构设计范规  议建铝合 T形支金 托的 算计  度系数长 应肛根试据确定验, 如试验 数无据, 可 按 为 

10进 行 T形 托支计 设 .。 

[]G /   1 10 9变铝 及铝合形 金化学 成 分 [] 7   B 39T- 9 6 . S

  B(T39 19-  Wrh u G/  1096 o gt l ii  am n u mua nd

6  结语

 铝合金结 在我国结 构工程 中的构用应 近 十几 在 年发越展 越来迅 速 ,然而设 计 指原 导 的则匮乏 碍阻 了 铝合金构结 我在 国安 全的用应 发和 展。国标家 准  G 0 2- 2 0 { 5B 9 407 铝金结构设合 规范计 》颁布的 较将 好 解 决地 一这 问 题对 。 颁 布 的 新国 标家 准G   B

amn  au o : e cl oCps n i . Si(

  li ui m lyl hmi   c mooi [] a t n 

C si ) h en )e

] G/ 6 7 -  1 9 变形及铝铝合状金代态号[ ] 8 B T 1 4 59 6 .S 

B(T 1 4 5 19   Tm e sdn tn s ms r fG / 6  - 796 p re e ia o yt      g ie o

wog

tml nm n ami u  ao [ ]ruh aui i  da l m n ylS .(  i uu li

n Ceei) hns) 

[ ]金鑫.单轴 称 对 截 铝 面合 金压杆 极 限承 力 载 究研 9 [ . 上 :同济海大 学 0, JN X5ntd  nD] 2 0(.   i.IS y o u

rsas c o  u ixa   smemrc  a unm  a yl ein t efn ai l yt ial l mi ul o 

4 9 2 {002 - 07铝合 金 构结 计设 规 》 中范 若重干要 概

念  理、和 论试验 研究成 进 果 了行综述。介 绍 了结  构 铝金材合料的物理 力学性 能、 构关本 系、 接热 响 影 焊 等区基本性 以及构件 特计算中对 焊热接 影响 的区 处

m crs i  mme sD] o pesn o ebr[ .  

S aga : hnh

Tinj o  i

Ui rt, 05i  h ee ) nes y 0 .2nC(i )s v i n

[0 1]吴 芸.焊 铝合 金结构接构件的理论试和验 研究 [ .D]  

海上:同 济大学 , 2 .(   u0 T.e tr a a d0 7wu Y n he ol cn i   e p

rmet l r s a c e   o  l  a un u x e i n a e e r h s n wd el mii msr c  eu u ttr 

理 出了,合铝 金 接 连接 焊焊中 缝度 的计强 方 法算  给以及 临界失 效 面概念 ,的出 了 紧件固连 接 计的算  指假定 、 依 据普 和螺通栓杆 轴 方 受向 拉 连接中撬 力 作用 的念概 解;释 了考虑 铝 合金截 面屈 曲后 强 和焊度

 接影热响 效应的效厚有度法计算 论理和 应相的有效

 

me br ]D hnh ogi nvr t, 0 7 i m [e . aSg:aT n U ji sy20 .(n eii  C

ie e)hn s )

 [1

1 ] 国王凡, 元张 彬 罗辉 , 等,钢.构结焊接 造制[ .北  ] 京 M:学工化 业版社 出 , 4020 .  2[H N TK, G      F.W ee  u iim a   1o C A   ]  O FRF D l da mn  ly d lu

1  l 

截计面方法算, 并研 究 了 工 程常中 用的工字形 截面

 

nen :teteut adB  1 8J . h — d lo nocsT s srln   S  [ ] 8T iW a  e   si1 nlSr

cu e 0, 30 ( 2)52 7t ts 2 0r,6 4 6:— 8. u 

[ 0d al M  zao  i 2]L n ooR ,azl  M .fD nrp ahrs ie ft F niet poec e    f a n

dhs n osne l miu l  et n [ hn]  ei f l ra d nma o sc os J . T i g—  eu iy l

iWa t cer 97s2 ( ) 8 — 2l d tSe, 91, 7 1 :15  l r uu

3[1 ] 静李斌 .合铝 结金连构接静 力强 度 的论 和试验 研  理 究 .[ 上 :同海 济 大学 2 , .0 I(J g. Di ]06   Lib n n

T e  r at  a d ep n a  rrs a c e   o  sai   hoe i c nl  x e imetl e re hs t t n

c[1

吴舸 亚 .]2 铝金合 受压板件 局 屈 部曲 受 与构 件 弯弯扭 

曲屈载承 力研 [究.上海 ,] D济同学大,0 5 w 20 .u( 

Y ae t d  nl c u  ikg o   n u eu en sg.S u y o   oa b c nl  fa mi i   lmm et l l  a ldx r - sooa  b lcg fl m i im b a n   uf ar int ell u ki   o a un un me

ss e  fagm nu   ls c r yn ooc sD ]t nt o ilmia o t  tec entn [ . r h  ul r uu i

 S gaa o:N n  ey s0 2.n(Ci ee h )hi Tn ni i ir, 0 7 i ns) hU v t

[ 41] 维李荣.常用 固紧产件 品手册[ .M ]北 京:中国标准  版 出 ,社 02 . (Ii n .Maulf rna 0 2L  eWrg o n a  mo l   of tnr rd [ .B icn:C aSadr  rsi , ae  e uotM] e ig ht na deP ss jp n  2 0 .n( i sC   )02  ihn e )e 5  B [5T8 - 20 角头螺六 栓[] G /  7 2 ]G /  12 070 S .(B T 8—5

[ .   Sa a:Tgn  U e ii , 02 .i  (]D  hnh i o ̄in r tv ys 0

5 n

Ci ee) h sn)

 [

2 ]陈绍2番.钢结 构设原理计[ .第 版2 北京 .: ] M学 科

出版 社1,9 . ( NHS a f.D s   r pec o 9 C8 E ho  nei npil fa ng i   

ess cr . n[   dei :iS c r s, l ttt eM ] d2e . B i e n ru u jg c e Pen se 

2 .0n(Ciee ) 0 i7 nh s 

)2 0  H xgn

a ot[ ]hi C iee 0 0) ea odbel S. ( nhn s) s  

[  6B T 58- 2 0六 角头 螺栓 c [级 ]( B T1 ] /G  0 700 S . G /

 5 8 —. 0 70 0 20  H e ao  h  a bl r — d cga e   x g e dno t po utr d C s

[3 h enT n, e h .geFra・ro a bc l g 2 ]Z agLi o g G su nlul t s n uk i  x i o l

no  hnw l d b ae m seb s o d  hl b cl gf t i —ae e    mmbr  ae   s enlu k i  l  n

]i C iee ) .(sn nsh)  

t e[r] h l d S—cur ,e 0 ,24 1)  h o J yT.i We at tr s 0 42 ( 2: nl

u1 61 . 6 7.568

[7  1] 吴亚 ,舸其林 .考虑张 相关屈 曲的轴 压 合 铝板金件  有截效计算 面[ J] 建筑结构. ,0 6 ( 3) 5 . 2—0,6 2 : 5 5  9(wU

g ,Y N Z  Ql Ef.vc s oc    e  HAaG n i  i t feet n ei

icl u ania p o   c o au n u a l ct  p ra h f lo i mim  p ae e e n  t  l lemt c n e ni  ne a t el l c bcl ugd ra i   o d os rdg i tr c   ioa u  k  i e n x a la   ivn l

[4

2]董震 .虑考局稳定部 铝的合 金件构及板件 的 承载  力究研 .[上 海:同济 大学, 0 7DN  h D]n 2 .0 (OG Z e.   Ul

am et nt   u s y ful nu t t  s rg thd o   a iimm  me es n   ei m bra d

 

ts ps eo  nc l ku i[. Sag: a ̄  o e l nir g lab l gcD] h nhi Tn ia c d io   n

U ir i 0 ,7i  n hs) nv ys2 .0n( Ciee )e t

[ .

i i B  Sur ,t20 6 ,2: 5・ J] lu t nce 0 6 ( 3 )55dg r 9ui ( n C i

ee) h ns 

z)o aiF M o. ab k i o  g lm iil [ 8a l a ,Ma Czl n   Lc  ucln   f uan mu 1 ] el 

F[ 25 董]震 张 其 , 林铝,合 金板面试 验 研究 和设 计 建 议  [ ]建 筑 钢 结 构 进 展 ,02, 1 12 :8 -. 0 8 0J( ) 2 .2

  O G ( Ze , Z G AQ .E pl e rs t d  nD N h n HN   in x ei nt y ad i m 

m mues t g ead c a cts [ ]n o a or erb:Tsn  n  slf a J iJunl .f i oi  i  

cuSaE nge ,i 0, 20( 3 )3 03t trl ienr g2 0 163 : 5 —6. u r n   rh

i rn p ccft  rf hd  nif o [ 9 S . N ot   Ae cma   seii in oa  t e es g o   ]1A II

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  i eS Bi giSrceu , 800( ) 2 8- i nt l u n  t ltsr 20 ,11 : 2 (n2    e d  uC ie

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. rsd let uac mb  r .『 20. dofm ete    rrt e mse ]S0   4osu l

l 

范文三:_铝合金结构设计规范_的若干重要概念和研究依据_张其林 投稿:许篭篮

DOI:10.14006/j.jzjgxb.2009.05.001

建筑结构学报 JournalofBuildingStructures

文章编号:1000-6869(2009)05-0001-12

第30卷第5期2009年10月

Vol.30No.5Oct.2009

001

《铝合金结构设计规范》的若干重要概念和研究依据

张其林,季 俊,杨联萍,吴明儿

1

1

2

1

(1.同济大学土木工程学院,上海200092;2.上海现代建筑设计(集团)有限公司,上海200041)

摘要:对新颁布的国家标准GB50429—2007《铝合金结构设计规范》中若干重要概念、理论和试验研究成果进行了综述。介

绍了结构铝合金材料的物理力学性能、本构关系、焊接热影响区等基本特性,给出了铝合金焊接及紧固件连接的计算假定和依据,解释了考虑铝合金截面屈曲后强度和焊接热影响效应的有效厚度法计算理论和相应的有效截面计算方法,叙述了铝合金构件设计计算公式形式选定和相关参数取值的依据,阐述了铝合金面板中面板与支托的计算方法。将对新规范的推广和使用起到促进作用。关键词:铝合金结构;设计规范;计算方法;参数取值中图分类号:TU395 TU311.4  文献标志码:A

SomeimportantconceptsandresearchbasesofCodefor

DesignofAluminumStructures

ZHANGQilin,JIJun,YANGLianping,WUMinger

(1.CollegeofCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;2.ShanghaiXiandaiArchitecturalDesignGroup,Shanghai200041,China)

1

1

2

1

Abstract:Thispapersummarizessomeimportantconcepts,theoreticalmethodsandtestingobservationsadoptedinnewlyofficiallyissuedChinesenationalstandard`Codefordesignofaluminumstructures'(GB50429—2007).Thepaperintroducedthephysicalandmechanicalproperties,constitutiverelationandpropertiesofheataffectedzone(HAZ)ofstructuralaluminummaterial.Theassumptionsandmethodsforthecalculationofweldingandfastenersinaluminumstructureswerealsodescribed.Thetheoryandequationsof`effectivethicknessmethod'forconsideringtheeffectsofpost-bucklingandHAZofaluminumsectionswerediscussed.Finally,thepaperexplainshowthedesignformulaofaluminummemberswereobtained,andthecalculationmethodsforaluminumpanelsanditssupportswerealsoillustrated.Thepopularizationandtheapplicationofthenewdesigncodewillbepromoted.Keywords:aluminumstructures;designcode;calculationmethod;parametervalue

基金项目:住房和城乡建设部“铝合金结构设计规范”编制项目(建标[2003]102号)。

作者简介:张其林(1962— ),男,江苏南通人,工学博士,教授。E-mail:zhangqilin@tongji.edu.com收稿日期:2009年5月

0 引言

近十几年,铝合金结构在土木工程中的应用得到迅速发展。作为一种新型的建筑结构材料,铝合金具有重量轻、耐腐蚀、易于维护、施工方便等优点,能够适应现代工程结构向大跨和轻质方向发展以及恶劣的建筑环境,并极易促进结构工程科学与建筑艺术的融合。国际上,早在上世纪七、八十年代,英国(CP118)、意大利(UNI8634)、瑞典(SVR)、法国(DTU)、德国(DIN-4113)和奥地利(ON)的铝合金结构规范就已相继颁布

[1]

图2 上海科技馆中央大厅Fig.2 CentralhallofShanghaiScience&

TechnologyMuseu

m

。1978年欧洲钢结构协会

(ECCS)制定了第1版ERAAS《欧洲铝合金结构建议》,这是欧洲首次尝试统一铝合金结构设计准则。

1992年CEN(欧洲标准组织)制定了新一版欧洲EC9《铝合金结构设计规范》

[2]

(以下简称“欧规”),至今

仍在不断完善之中。此前,英国于1991年完成了铝合金规范BS8118的修订,取代了原有的CP118。除了欧洲国家外,美国铝业协会于1994年完成了《铝合金设计手册》第6版的修订工作。近年来,国内已经陆续兴建了一些铝合金空间结构和人行桥梁,图1为1998年建成的中国航天实验研究中心CM2零磁试验室,采用了我国自行研制、设计、制造的螺栓球节点铝合金网架结构。图2为2001年建成的上海科技馆中央大厅,为椭球体单层网壳结构。图3为2007年建成的杭州市庆春路中河路人行天桥,为中国首座铝合金天桥。这些已经建成的铝合金结构说明我国编制铝合金结构设计规范的必要性,也为编制工作提供了必要的工程实践资料积累

图3 杭州铝合金天桥

Fig.3 AluminiumalloyoverpassinHangzhou

GB50429—2007《铝合金结构设计规范》部公告第726号发布。

[3]

,该规范

2008年3月1日于中华人民共和国住房和城乡建设

在编写过程中,规范编写组力求将铝合金构件、连接、板件等计算公式与GB50017—2003《钢结构设

[4]

计规范》以及GB50018—2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》中相关公式在形式上统一起来,以便应用。与结构用钢材相比,结构用铝材既有金属材料共性的特点,也有其个性的特质,而后者将决定工程师对铝合金结构的选型、设计以及推广和应用。本文针对铝合金材料所固有的特性解释了其材料、连接、有效截面计算、构件设计计算和面板设计等相关概念和研究依据,以加深研究者和工程师对GB50429—2007《铝合金结构设计规范》的应用和理解。

[5]

1 铝合金材料的基本特性

图1 北京航天实验研究中心零磁

实验室铝合金网架

Fig.1 Aluminiumalloygridofzero-magnetlaboratory

ofBeijingSpaceExperimentResearchCenter

1.1 铝合金的生产工艺和分类

铝合金熔点仅为660℃

[2]

,因而对其进行加工较

为容易。厚度为5~6mm的板材是由铝坯通过热轧方法成型的,为了得到更薄的板材则需采用冷轧方法。冷轧过程将引起加工硬化,因而需对其进行退火处理以提高其延展性。铝合金最大的优点之一就是可以采用压力机挤压成型。与热轧方法相比,该方法能生产出任意截面的型材,并且可以获得加劲

根据住房和城乡建设部建标[2003]102号文关于印发《2002~2003年度工程建设国家标准制定、修

订计划》的通知要求,由同济大学、现代建筑设计集团上海建筑设计研究院有限公司会同有关设计、施工、材料和科研单位的技术人员组成编制组,编写了

型材和优化型材。

表1

[6-7]

性模量也近似为钢材的1/3(在不同牌号的铝合金中,其弹性模量在68500~74500MPa之间变化),铝的热膨胀系数是钢材的2倍(在不同牌号的铝合金中,其热膨胀系数在19×10

-6

、表2列出了建筑结构中使用的锻造铝

[8]

合金材料的数字牌号表示方法和常用状态代号命名规则。铸铝材料不宜用于建筑结构的受力构件,当采用铸铝节点时应进行充分的试验研究以确保其工作性能。

建筑结构中使用的锻造铝合金根据其对热处理的反应,可以分为热处理合金和非热处理合金。热处理合金通过热处理提高材料强度;非热处理合金通过冷加工来提高其强度,对板材的轧制过程或对型材的牵引均认为是冷加工过程。经冷加工后,强度提高而延性降低。

1.2 结构用铝合金材料的物理性能

结构用铝合金材料的物理性能与钢材相比有显著差异。铝的密度约为钢的1/3(在不同牌号的铝合金中,其密度在2600~2800kg/m之间变化),铝的弹

3

~24×10

-6

℃之间变

-1

化),表明铝合金结构对温度变化更敏感。与钢材相比,铝的耐腐蚀性能较好,通常情况下不需要对铝材进行大气或化学腐蚀介质防护。表3列出了室温下铝材的主要物理力学性能与钢材的比较。1.3 铝合金材料的本构关系

从图4中可以看出,铝合金材料没有明显的屈服平台。文献[2]研究表明,铝合金材料的应力-应变关系曲线可分为三个阶段,分别为弹性阶段、非弹性阶段和应变硬化阶段。其中,f为比例极限,ε为pp比例极限对应的应变,f为弹性极限,ε为弹性极限ee对应的应变。

通常将与残余应变等于0.2%相对应的应力假

[9]

表1 铝合金牌号及其性能与用途

Table1 Aluminiumalloydesignation,performanceandapplication

合金牌号1xxx2xxx3xxx4xxx5xxx6xxx7xxx8xxx

主要合金元素纯铝系列

铜锰硅镁镁和硅锌(含铜)锌(不含铜)其它元素

性能

强度低,延性好,耐腐蚀强度高,耐腐蚀性差,可焊性差

中等强度,耐腐蚀性好

中等强度

强度较高,延性好,耐腐蚀,焊接性好

强度较高,耐腐蚀性良好强度高,耐腐蚀性差,可焊性差强度较高,耐腐蚀,焊接性好(自行回火)

超轻合金,中等强度

主要用途

器皿,容器,建筑用镶板广泛应用于航空工业器皿、易拉罐、墙面和屋面材料

钎焊材料,应用较少焊接结构、压力容器、建筑板材

工业、建筑挤压型材航空工业、体育用品

焊接结构轻量化航空、航天材料

表2 基础状态代号及适用范围

Table2 Basictemperdesignationandapplicationrange

代号FOH

状态自由加工状态退火状态加工硬化状态

作规定

适用于经完全退火获得最低强度的加工产品

适用于通过加工硬化提高强度的产品,产品在加工硬化后可经过(也可不经过)使强度有所降低的附加热处理。H代号后面必须跟有两位或三位阿拉伯数字,表示H的细分状态。H后面的第一位数字表示获得该状态的基本处理程序,第二位数字表示产品的加工硬化程度

WT

固溶热处理状态热处理状态

(不同于F、O、H状态)

一种不稳定状态,仅适用于经固溶热处理后,室温下自然时效的合金,该状态代号仅表示产品处于自然时效阶段

适用于热处理后,经过(或不经过)加工硬化达到稳定状态的产品。T代号后面必须有一位或多位

阿拉伯数字。在T后面添加0~10的阿拉伯数字,表示对产品的基本处理程序;后面再添加一位或两位阿拉伯数字,表示经过了明显改变产品特性的特定工艺处理的状态;之后再添加“51”、“510”、“511”、“52”或“54”表示经过了消除应力处理的产品状态代号

适用范围

适用于在成型过程中,对于加工硬化和热处理条件无特殊要求的产品,该状态产品的力学性能不

表3 铝材和钢材在室温下主要物理力学性能的比较

Table3 Comparisonofmainphysicalandmechanicalpropertiesbetweenaluminiumandsteel

材料类别

铝钢

平均密度/kg·m-327007850

熔点/℃线膨胀系数/℃-1

6581450~1530

24×10-612×10-6

弹性模量/N·mm-270000206000

泊松比0.300.26

热导率/cal·cm·s·℃

0.5200.062

比热/

-1

cal·g·℃-1

硬度HB/MPa95(6061-T6)179(Q235)

0.02250.1200

注:1cal=4.1868J

强度计算和构件的承载力计算,考虑焊接热影响区这一不利因素的方法是不同的。在焊接计算中是对强度进行折减,在构件承载力计算中是对强度不折减,而对截面进行折减。1.4.2 构件验算

焊接铝合金构件承载力的计算,是通过对截面面积、截面惯性矩等几何参数进行折减,而对强度不作折减的方法来考虑焊接热影响区的不利因素。GB

图4 铝合金材料应力-应变曲线

Fig.4 Stress-straincurveofaluminiumalloymaterial

50429—2007《铝合金结构设计规范》计算焊接热影响区内因材料强度降低造成的截面削弱程度,通过引入折算强度区的概念

,将焊接热影响区内曲线分布的强度降低等效为较小范围的折算强度区内矩形分布的强度,见图5。

定为超出材料弹性阶段的应力,称为规定非比例伸长应力,即图4中的f。在结构计算中,其与钢材的e屈服应力具有同等重要的意义,因此习惯上称作名义屈服强度。对不同牌号的铝合金,名义屈服强度差异很大,对于结构工程领域最为常用的6061-T6铝合金,其名义屈服强度和Q235钢相当。因此,从结构材料的强度要求而言,将铝合金材料用于结构工程的结构构件是完全符合要求的函数为

[1]

[1]

兰伯格和奥斯古德提出的铝合金材料应力-应变

:

σ

+0.002E0n

(1)

图5 焊缝附近的典型屈服应力Fig.5 Typicalyieldstressnearbyweld

式中:指数n是应变硬化参数f0.2/f0.1的函数,其中f1%的应力;n=0.1为对应于残余应变为0.

ln2

,代表了不同铝合金材料σ-ε曲线非弹

ln(ff0.2/0.1)性段应变硬化率的特征值。n=1时,材料的应力-应变关系为线弹性;n=∞时,材料的应力-应变关系为理想弹塑性。

1.4 焊接热影响区与构件验算1.4.1 焊接热影响区

焊接过程中,母材临近熔化的区域,受高温影响的部分叫做焊接热影响区

[10]

图5中,b为理论上铝合金材料的曲线分布haz,theory

的焊接热影响区宽度,bhaz,code为折算强度区半宽度,即矩形形状的折算强度区边缘到焊缝中心的距离,其值乘以相关的放大系数后即为GB50429—2007《铝合金结构设计规范》图3.3.2中的热影响区范围。在±bhaz,theory的范围内,焊接热影响区内任意一点的名义屈服强度可看作是该点到焊缝中心的距离x的函数f(x)

[10]

。在±bhaz,code的范围内,折算强度

区的名义屈服强度为f0.2焊,该值为热影响区内各点名义屈服强度的最小值。

。与结构用钢材相比,

铝合金结构对焊接热影响更为敏感。典型的材性研究表明焊接热影响区材料屈服应力f0.2降为母材屈服应力f0.2的50%~75%

[2]

。钢结构焊缝连接中也

2 铝合金连接的设计计算

2.1 焊缝的静力强度

在铝合金结构焊缝的静力强度计算中,除需校核焊缝金属的强度外,对焊接热影响区材料的强度也必须进行校核。这点与钢结构焊缝连接的计算显

著不同。

计算铝合金焊缝连接时,除按GB50429—2007《铝合金结构设计规范》中第9.2.2条、9.2.3条校核焊缝金属的强度外,还应按GB50429—2007《铝合金结构设计规范》的第9.2.4条校核焊接热影响区临界失效面处的强度。由于焊接热影响区的存在,焊

存在焊接热影响区,但钢结构热影响区的宽度较小,强度和塑性降低的幅度不大,因此在钢结构焊接计算中,不需要考虑焊接热影响的不利影响

[11]

。而铝

[12]

合金结构,焊接热影响区的范围远大于钢材,位于焊接热影响区母材的力学性能会发生显著地弱化

因此,对铝合金焊缝连接及焊接铝合金构件的承载力计算时,必须考虑焊接热影响引起连接处力学性能弱化的不利因素,这也是焊接铝合金计算同焊接钢材最主要的区别。

在焊接铝合金结构设计中,对焊缝连接的静力

缝附近的铝合金材料强度一般要小于母材的强度,这也是与钢材的主要区别之一。

在钢结构焊接连接中,选用焊丝时一般要使焊丝强度略大于母材强度。而对于铝合金焊接结构,合理的母材与焊丝之间的组合宜满足:①母材强度设计值大于焊缝金属强度设计值;②焊缝金属强度设计值大于焊接热影响区强度设计值。原因是在焊缝处发生的破坏往往表现为脆性破坏形式,焊接热影响区处发生的破坏通常表现为延性破坏形式

[11]

,

故在焊缝设计时,一般宜使破坏尽可能发生在焊接热影响区,这样可使焊接节点在破坏前具有较大的变形能力。2.2 临界失效面

对金属材料,硬度同强度具有一定的等价关系[13],因此,焊接热影响区的分布范围和材料强度的降低程度可以通过对从焊件上取样加工的硬度试件的测试来得到。图6给出了一个具有代表性的对接焊缝硬度试件测得的焊接热影响区的维氏硬度分布曲线,试件母材铝合金为6061-T6,厚度6mm,焊丝为5A06,坡口为单边V形30°,采用TIG手工焊焊接

[13]

图7 临界失效面FS

Fig.7 CriticalfailuresurfaceFS

缝上,并将焊缝群的强度设计转化为焊缝群中各条焊缝的强度设计。

方法1:假定每条焊缝承担的荷载直接决定于相邻母材的应力。

方法2:将焊缝群看作分离出来的结构单体来考虑荷载对它各部分的作用。

其中方法1适用于连接节点处母材应力分布较明确的焊缝群。而采用方法2分析焊缝群,通常可按线弹性假定分析计算。当充分考虑连接节点中所有焊缝的变形协调条件后,也可采用极限承载力的非线性分析方法计算。

2.4 铝合金结构紧固件连接

铝合金结构紧固件连接包括铆钉连接、普通螺栓连接以及高强度螺栓连接。铆钉连接是一种不可拆卸的连接,这种连接方式在现代钢结构中已被舍弃,但在铝合金连接中仍被广泛使用。根据连接工艺的不同,铆钉可分为三种类型

[14]

。图6的硬度分布曲线也可等价于该试件内的

强度分布曲线

,即普通铆钉、抽

芯铆钉和击芯铆钉。根据国内应用现状,抽芯铆钉和击芯铆钉主要应用在厚度很薄(1.2mm以内)的铝合金面板连接中,而普通铆钉可用于结构主要受力

图6 对接焊缝热影响区维氏硬度分布

Fig.6 VickershardnessdistributioninHAZofbuttweld

构件之间的连接。普通铆钉可用以下材料制成应尽量采用铝合金铆钉铆钉承受拉力。

[3]

[14]

:

碳素钢、不锈钢、铝合金。在铝合金结构铆钉连接中

,但要尽可能避免铝合金

由图6可见,图中的D、E两点,该处强度降低的程度最大,是整个焊接热影响区乃至整个焊接接头内最薄弱的部位,焊缝连接的破坏往往发生在这一位置。临界失效面就是指焊接热影响区内强度降低幅度最大、最易发生破坏的危险截面,对于典型的焊缝连接,在图7中用FS面表示。对接焊缝的临界失效面为焊缝焊趾处平行于焊缝轴线方向沿构件厚度的剖切面。角焊缝的临界失效面为焊缝焊趾处平行于焊缝方向沿构件厚度的剖切面及角焊缝的焊脚熔合面

[3]

用于铝合金结构连接的普通螺栓应符合GB/T5782—2000《六角头螺栓》《六角头螺栓C级》

[16]

[15]

或GB/T5780—2000

的规定,普通螺栓材料宜采用

铝合金、不锈钢螺栓,也可采用钢螺栓。由于未作表面保护的钢螺栓同铝合金构件之间会发生接触腐蚀,故使用钢螺栓时,必须做好表面处理,且表面镀层应具有一定厚度。

在铝合金结构连接中采用有预拉力的高强度螺栓应符合一定的适用条件。由于铝合金的弹性模量较低,在较大的螺栓预拉力作用下,特别是当高强度螺栓的抗拉强度远高于铝合金连接件的抗拉强度时,如不采取相应的特殊构造措施(如采用较大直径

2.3 构件焊缝群的设计

铝合金焊缝群设计的方法,可采用以下方法之一,

将作用在焊缝群上的荷载分配到每条单独的焊

的硬质垫圈),很容易引发铝合金连接件的表面损伤,进而出现螺栓松弛和预拉力损失等问题,从而影响连接的强度。此外,在极端温度变化或连接较长时(在构件的节点处或拼接接头的一端,当螺栓或铆钉沿轴向受力方向的连接长度大于15倍的螺栓或铆钉的孔径)因铝合金连接件与钢螺栓之间不同的热传导系数引起的摩擦面抗滑移系数的变化对连接节点强度的影响效应,在设计中也应予以重视。2.5 普通螺栓杆轴方向受拉连接中的撬力作用

关于普通螺栓杆轴方向受拉连接的计算,在GB50017—2003《钢结构设计规范》

[4]

,中不要求计算撬

力,而将螺栓的抗拉强度设计值降低20%,相当于考虑了25%的撬力;但在某些情况下撬力与节点承受的轴向拉力的比值很可能会超过25%,从而导致设计的不安全[13]。GB50429—2007《铝合金结构设计规范》要求考虑螺栓可能承受的由于撬力引起的附加拉力。撬力作用与诸多因素有关,但主要取决于连接板抗弯刚度和螺栓杆轴向抗拉刚度的比值,该比值越小,则撬力引起的不利影响越大。

文献[13]研究了如图8所示的由4个螺栓连接的双T形节点,在轴心拉力P作用下,可能会发生的三种不同的破坏模式(图9),即破坏模式I为T形构件螺栓孔洞处及T形构件腹板与翼缘交接处产生塑性铰破坏;破坏模式II为T形构件腹板与翼缘交接处产生塑性铰,同时螺栓被拉断;破坏模式III为螺栓被拉断。图9中黑色圆点代表了翼缘出现塑性铰的位置。

GB50429—2007《铝合金结构设计规范》给出了上述三种破坏模式极限承载力计算公式。当T形构件的翼缘板较薄时,节点容易发生模式I的破坏,撬力Q非常显著,而对于其它类型受拉型螺栓连接,在设计中应结合实际情况采用适当的方法分析计算撬力的大小。

2.6 螺栓头及螺母下构件抗冲切承载力计算

在GB50017—2003《钢结构设计规范》中,并不需要验算普通螺栓在杆轴方向受拉力作用时,螺栓头及螺母下构件抗冲切承载力设计值。然而在铝合金结构受拉型螺栓连接中,当节点承受的荷载较大时,往往采用强度较高的钢或不锈钢螺栓。当螺栓材料的抗拉强度超过铝合金连接件的名义屈服强度较多时,如果螺栓杆中的拉应力较大,则螺栓头或螺母对连接件的压应力有可能会超过连接件材料的名义屈服强度,从而引起铝合金连接件的表面损伤,甚至会造成连接件的冲切破坏,如图10所示,该冲切破坏实际上是发生在圆柱形冲切面上的剪切破坏。

对于螺栓头及螺母下连接件的冲切破坏,属于脆性破坏,可能在节点承载过程中突然发生。

若某

图8 双T形节点螺栓连接Fig.8 Boltconnectionofdouble-Tjoin

t

图9 双T形节点螺栓连接三种破坏模式Fig.9 Threekindsoffailuremodeofbolt

connectionofdouble-Tjoint

个螺栓下面的连接件发生了冲切破坏就意味着该螺栓退出工作,节点的承载性能将显著降低。因此,冲

切破坏的危害性很大,在设计中应当重视并通过计算避免发生。

3 铝合金板件的有效截面

3.1 板件屈曲后强度的几种计算方法

由于铝合金材料成本高,从经济角度考虑,型材截面设计通常相对薄弱,加之铝材弹性模量小,局部稳定问题更加突出。若限制受压板件的宽厚比,保证板件整体破坏前不发生局部屈曲,即不利用板件的屈曲后强度,则截面中的受压板件必须满足更小的宽厚比限制(约为钢板宽厚比的1/2),设计截面将很不经济

[17]

铝合金板件屈曲后,随着面外挠度的增长,板件的中面会产生相当大的薄膜拉力,薄膜拉力的出现反过来又可延缓挠度的发展,对板件起着支持作用,从而大大提高板件的承载力,使其远超过板件的临界屈曲荷载。有效地利用板件的屈曲后强度,可以更好地发挥材料性能,达到经济的目的。针对在设计中利用板件屈曲后强度、考虑板件屈曲对构件承

图12 直接强度法Fig.12 Directstrengthmethod

采用将构件截面受压区的板件厚度折减的方法来考虑局部屈曲和焊接热影响效应。其截面的受弯承载力Md,3为

[20]

:

Md,3=Weff,tf0.2

(4)

其中,W为基于有效厚度法的有效截面模量

。eff,t

图10 铝合金连接件的冲切破坏

Fig.10 Punchingfailureofaluminiumfastener

载力影响等问题,采用有效截面的方法加以解决。目前,有效截面特性的确定有三种方法的有效宽度法

[5]

[18]

,即①我国

GB50018—2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》采用

;②2004版AISI《冷弯薄壁型钢结构

[19]

图13 有效厚度法

Fig.13 Effectivethicknessmethod

设计规范》采用的直接强度法采用的有效厚度法

[2]

;③欧洲规范EC9

3.2 有效厚度法的适用性

铝合金制造中挤压工艺非常灵活,则挤压型材的截面可能非常复杂。采用有效厚度法的概念计算受压板件的有效截面,避免了计算受压板件有效宽度分布的问题,简化了设计过程,对于铝合金型材这种可能有复杂加劲肋的构件来说,该处理方法具有实用性

[21]

。GB50429—2007《铝合金结

构设计规范》采用的即是有效厚度法。

有效宽度法对截面折减的示意图如图11所示,实线部分为有效截面部分。截面受弯承载力Md,1可以通过式(2)计算

[20]

M(2)d,1=Weff,bf0.2

其中,W为有效宽度法中的有效截面模量,f为eff,b0.2材料的屈服强度

3.3 有效厚度法的计算方法

铝合金结构构件考虑局部屈曲和焊接热影响效应采取的有效厚度法最终有效截面特性通过迭代进行计算,并确定每次迭代过程中有效截面的形状。GB50429—2007《铝合金结构设计规范》规定,对于非焊接截面,如果受压板件宽厚比满足最大宽厚比要求,则有效厚度即为板件厚度,否则,以按照压应力不均匀系数φ计算所得的厚度作为此板件有效厚度。压应力不均匀系数定义为:

图11 有效宽度法

Fig.11 Effectivewidthmethod

φ=σmin/σmax

(5)

其中:σ为受压板件边缘最大压应力;σmaxmin为受压板件另一边缘的应力,以压应力为正、拉应力为负。

对于焊接截面,焊接热影响区的有效厚度要取考虑局部屈曲的板件厚度和热影响效应厚度中的较小值,由于迭代过程中截面中和轴位置也即受压区

(3)

位置的不断变化,导致构件有效截面形状非常复杂。文中仅以工程中常用的工字形截面为例加以说明,在仅受强轴单向压弯荷载作用下,按照有效厚度法

直接强度法计算示意图如图12所示。该方法将毛截面计算所得的应力值乘以屈曲折减系数K以计L算考虑局部屈曲影响的截面承载能力,其截面的受弯承载力Md,2为

[20]

:

Md,2=Wgf0.2KL

其中,W为毛截面模量。g

有效厚度法对截面折减的示意图如图13所示

,

折减规则,绘制各种可能的有效截面示意图。

工字形截面翼缘的净宽度b以及腹板的净高度h如图14所示

图14 工字形截面翼缘的净宽度b以及腹板的净高度hFig.14 Netwidthbofflangeandnetheighth

ofwebofIsection

图16 焊接截面φ≤0,h>2bhW有效截面形状Fig.16 Effectivesectionshapeofweldingsection

whenφ≤0,h>2bh

W

3.3.1 非焊接时有效截面

设tbF为翼缘只考虑局部屈曲影响的有效厚度,tbW为腹板只考虑局部屈曲影响的有效厚度。

(1)腹板压应力不均匀系数φ≤0时有效截面形状如图15a所示。

(2)腹板压应力不均匀系数φ>0时有效截面形状如图15b所示

图17 焊接截面φ≤0,h≤2b有效截面形状hWFig.17 Effectivesectionshapeofweldingsection

whenφ≤0,h≤2bhW

(2)腹板压应力不均匀系数φ>0

①b≥3b>2b所hF,hhW时有效截面形状如图18a示。

图15 非焊接截面有效截面形状

Fig.15 Effectivesectionshapeofnon-weldingsection

②b2b所hFhW时有效截面形状如图18b示

3.3.2 焊接时有效截面

设bhF为翼缘焊接热影响区宽度,bhW为腹板焊接热影响区高度,thF为翼缘只考虑焊接热影响的有效厚度,thW为腹板只考虑焊接热影响的有效厚度;tMF为受压翼缘焊接热影响区的实际计算厚度,取thF及t中较小值;tbFMW为腹板受压区的焊接热影响区的实际计算厚度,取thW及tbW中较小值。

(1)腹板压应力不均匀系数φ≤0,且假定截面上翼缘受压

①b≥3bhF,h>2bhW时有效截面形状如图16a所示。

②b2bhW时有效截面形状如图16b所示。

③b≥3b≤2bhF,hhW时有效截面形状如图17a所示。

④b

所示。

④b

针对铝合金构件有效截面计算,GB50429—2007

图18 焊接截面φ>0,h>2bhW有效截面形状Fig.18 Effectivesectionshapeofweldingsection

whenφ>0,h>2bhW

③b≥3b≤2bhF,hhW时有效截面形状如图19a

50017—2003《钢结构设计规范》以及GB50018—2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》中相关公式在形式上一致。由于考虑到屈曲后强度使用以及焊接热影响效应,截面面积、截面模量等需要按照有效厚度法折减后的有效截面特性取用;另外,铝合金构件截面塑性发展系数γ、受弯构件的整体稳定系数φb以及轴心受力构件的稳定系数φ的计算公式与GB

图19 焊接截面φ>0,h≤2bhW有效截面形状Fig.19 Effectivesectionshapeofweldingsection

whenφ>0,h≤2bhW

50017—2003《钢结构设计规范》并不相同。4.1 铝合金构件截面塑性发展系数γ

引入截面塑性发展系数γ,考虑截面抵抗矩的增大,则截面抵抗弯矩为

[1,22]

《铝合金结构设计规范》编制组研发了计算程序,图20显示了其使用界面。对于铝合金构件在受轴向力、单向受弯、单向压弯、双向受弯和双向压弯等情况,该程序实现常用焊接或者挤压成型工字形、槽

形、矩形、C形以及带肋矩形截面的有效截面形状自动绘制和截面特性自动计算。计算软件界面的右上角为毛截面形状和尺寸参数,点击左下角“计算”按钮后,输出信息为经“有效厚度法”折减后的有效截面特性包括绕截面强轴和弱轴两个方向的有效截面惯性矩、有效截面模量、毛截面和有效截面面积、截面最大以及最小应力(以压应力为正)、经过折减后的有效截面的示意图和折减后截面的轴向应力分布的示意图等

M=γWMef0.2=γ0.2

式中,W为截面模量,Me0.2为弹性极限弯矩。

(6)

钢结构和铝合金结构截面的塑性发展系数γ可以看作是一个折算形状系数(1

[1]

[1]

对于受弯钢构件,欧洲钢结构协会建议[22]:通过控制塑性发展最好的纤维的残余应变ε来限制构件r卸载后的残余变形,并提出最大残余应变不应超过最大弹性应变ε的7.5%。对于钢梁来说,当y=fy/E满足ε5%ε的限制条件时,在绝大多数情况下r≤7.y残余挠度不超过L/1000,而L/1000被认为是制作公差引起的几何缺陷容许值。而参考该方法,由于铝合金材料的弹性模量较小(只有钢材1/3左右),其相对残余挠度普遍偏大

[21]

。数据证明

[21]

,对于如铝

合金这类力学性能变化范围大的材料系列,上述限制残余挠度的方法往往偏于不安全。GB50429—2007《铝合金结构设计规范》采用Mazzolani限制残余挠度Vr的方法获得塑性发展系数γ,即截面的塑性发展系数应保证梁在均匀弯曲的情况下,跨中残余挠度Vr小于其跨长的某一倍数。这样,残余挠度V及残余应变ε与材料种类无关,而只通过跨高比rrL/h与梁的几何条件相联系,即

VLr=α

图20 铝合金构件有效截面特性计算软件Fig.20 Calculationsoftwareforeffectivesection

propertiesofaluminiummembers

[1]

(7)

  经过公式推导以及计算表明,若取α=1/1000,在均匀弯曲以及不同跨高比L/h的情况下,上述εr小于铝合金的名义屈服强度f0.2对应的残余应变εr=0.002

[21]

。因而,若保证均匀弯矩作用下简支梁满

4 铝合金基本构件设计理论依据

为便于应用,GB50429—2007《铝合金结构设计规范》编制过程中尽可能使构件验算公式与GB

足上述规定的容许残余挠度时,边缘纤维的最大应力可能达不到f0.2,但考虑到强度验算中采用强度设计值f=f0.2/γR,而变形验算针对正常使用极限状态,通常采用强度标准值,故最后确定的截面塑性发展

系数适当放宽,即当塑性发展系数小于1时取1

[3]

。计规范》条文说明第7章“轴心受力构件的计算”中的式(9)。

为构件考虑初始弯曲及初其中, λ-偏心的系数可得

[9]

[2]

总之,铝合金材料截面塑性发展系数γ随着截面形状系数α/h的增大p的增大而增大,随高跨比L而减小。弱硬化合金材料的塑性发展系数大于强

硬化合金。

4.2 受弯构件弯扭稳定临界弯矩M的确定cr

受弯构件的整体失稳通常表现为弯扭屈曲,整体失稳的原因有

[21]

[21]

。 λ=λ为相对长细比。0.2通过大量的试验以及理论分析结果进行数据拟合,

:对于弱硬化合金,α=0.20, λ15;对0=0.

于强硬化合金,α=0.35, λ1。0=0.4.3.2 受弯构件的整体稳定系数φb

在条文说明第7章“轴心受力构件的计算”的公式(9)中,以φ,即得受弯构件的整体稳定系b代替φ数φB50429—2007《铝合金结构设b的公式,即为G计规范》附录C中公式C-1。

其中, 为构件的几何缺陷系数,λ-λ=

ex,M为铝合金构件弯扭稳定临界弯矩,cr

Mcr

[21]

:①截面受压翼缘和相邻部分受

压腹杆如同轴心压杆一样,随着压应力增大其刚度

下降,当刚度下降到一定程度后,即不能保持原来的平衡位形;②由于受弯构件受拉部分的约束,屈曲变形不可能出现在梁的平面内,而只可能出现在平面外。虽然出平面的侧向变形也受到部分牵制,但其牵制作用使梁在侧向弯曲的同时呈现扭转变形。

铝合金构件弯扭稳定临界弯矩MBcr可由G50429—2007《铝合金结构设计规范》附录C中的公式C-4求得,公式的来源为基于能量法推导得出的适用于一般开口薄壁构件弯扭屈曲的总势能方程(8),对于在主平面内承受横向荷载的梁,忽略掉构件的微小纵向变形,再给予几种典型的受力情况和典型边界条件(GB50429—2007《铝合金结构设计规范》附录C表C-2),即可得到梁的弯扭屈曲总势能方程

[23]

而参数αλb、 0,b通过大量的试验以及理论分析结果进行数据拟合得到0.30。

:对于弱硬化合金,α20,b=0.

λ 36;对于强硬化合金,α25, λ0,b=0.b=0.0,b=

5 铝合金面板

5.1 铝合金面板

铝合金板有重量轻、防水、容易加工成型以及连接方便等特点。与彩钢板相比,铝合金面板又有抗污染、耐盐雾、易于保养等优点、特别是加工后具有高技术的特征(光洁平整、色泽均匀、挺括美观)。国内外的工程实践表明,铝合金屋面系统、墙面系统适应现代工程结构向大跨和轻质方向发展以及承受恶劣条件的需要,符合现代施工技术工业化要求

[24]

:

ξφ=                

1″2″2′2′′

[EIu+EIθ-2Mθ+IywθGxut+2βx2L

2Qβxθθ-2Quθz(8)+βθ]dyya

式中:a为荷载作用点至剪心的距离,当荷载作用点在截面剪心之上时取正值;u为任意截面的剪心在其自身平面内沿截面形心主轴的位移;θ为截面绕剪心

的转角。其它参数的意义如同GB50429—2007《铝合金结构设计规范》附录C。在总势能方程(8)推导过程中,引入Vlasov提出的两个基本假定

[21]

′′2

铝合金面板的常用屋面系统有直立锁边点支撑屋面系统、立边咬合系统、转角立边双咬合系统等,常用的墙面系统有正弦波纹板墙面系统、梯形板墙面系统、古典式扣盖系统等。

铝合金屋面系统已在国内得到应用,但相应的计算方法尚不完善,部分工程中,设计通常参照国外的有关规范。GB50018—2002《冷弯薄壁型钢结构设计规范》也仅提出了梯形压型钢板的计算公式

[5]

:①构件

中面的剪应变为零;②变形过程中横截面的形状保持不变;也就是说,尽管各横截面可能产生垂直于截面的翘曲,但其在自身平面内的投影始终保持固定的形状。4.3 轴心受压构件的稳定系数φ以及受弯构件的整体稳定系数φb的确定

GB50429—2007《铝合金结构设计规范》中轴心受压构件的稳定系数φ以及受弯构件的整体稳定系数φC9中稳定系数的确b的确定方法与欧洲规范E定方法类似,由Perry-Robertson公式给出

[22]

GB50429—2007《铝合金结构设计规范》课题组基于铝合金直立锁边板承载力试验以及相关计算理论,提出了铝合金直立锁边板的强度稳定计算公式、铝合金面板T形支托的稳定性以及铝合金面板同时承受截面弯矩M和剪力V的组合作用等相关计算公式。5.2 铝合金面板的强度计算

铝合金结构设计规范

[3]

,其表达

式即为GB50429—2007《铝合金结构设计规范》条文说明第7章“轴心受力构件的计算”中公式(9)。4.3.1 轴心受压构件的稳定系数φ

计算公式即为GB50429—2007《铝合金结构设

中增加了铝合金直立锁

边板的计算理论,其计算公式与梯形板等相同。铝

合金面板强度计算中的重要参数为有效截面的确定。表4

[25]

在绕强轴单向压弯荷载作用下有效厚度法的折减规则,给出了各种可能的有效截面示意图;阐述了铝合金构件截面塑性发展系数、受弯构件弯扭稳定临界弯矩以及轴心受压构件的稳定系数和受弯构件的整体稳定系数的取值依据;总结了铝合金面板中面板与支托的计算方法。

但是,国内对铝合金结构的研究起步较晚,试验数据还比较缺乏,新颁布的GB50429—2007《铝合金结构设计规范》还有诸多值得完善和改进的地方,在铝合金结构工程实践中发现问题、继续深入开展相关的研究工作是十分必要的。

参 考 文 献

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50429—2007 Codefordesignofaluminiumstructures

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(GB/T3190—1996 Wrought

aluminium

and

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Tongji

为同济大学铝合金直立锁边板承载力试

验模型在支座处的有效截面属性比较。从表中数据可以看出,EC9和GB50429—2007《铝合金结构设计规范》计算有效截面属性和试验结果比较接近。

表4 铝合金直立锁边板试验以及理论计算数据Table4 Experimentalresultsandcalculationresults

计算方法试验推算EC9GB50429—2007

有效截面中性轴位

有效截面

有效面惯性矩

2置/m4积误差误差m惯性矩/m面积/mmm

222.228.63114997.5——

210.2214.0

31.0031.12

117819.0122548.0

5.4%2.5%3.7%6.2%

5.3 铝合金支托的稳定验算

直立锁边铝合金面板承受的荷载通过T形支托传递给檩条,T形支托除需按轴压构件进行的强度计算外,还需进行稳定验算;支托可简化为等截面柱模型。由于铝合金T形支托往往并非等截面,因此在铝合金板部分对其计算进行补充规定。其计算公式见GB50429—2007《铝合金结构设计规范》公式11.3.3、11.3.4。

在实际工程中,铝合金T形支托一端固定于檩条上,另外一端锁在直立边内,因此T形支托的计算长度系数μ的理论值范围为0.7~2.0

[3]

。考虑到在

规范编制过程中由试验得到的支托破坏数据有限,而板厚、板型对支托侧向支撑的影响又比较复杂,铝合金结构设计规范

[3]

建议铝合金T形支托的计算长

度系数μ应根据试验确定,如无试验数据,可按μ为1.0进行T形支托设计。

6 结语

铝合金结构在我国结构工程中的应用在近十几年发展越来越迅速,然而设计指导原则的匮乏阻碍了铝合金结构在我国的安全应用和发展。国家标准GB50429—2007《铝合金结构设计规范》的颁布将较好地解决这一问题。对新颁布的国家标准GB50429—2007《铝合金结构设计规范》中若干重要概念、理论和试验研究成果进行了综述。介绍了结构铝合金材料的物理力学性能、本构关系、焊接热影响区等基本特性以及构件计算中对焊接热影响区的处理,给出了铝合金焊接连接中焊缝强度的计算方法以及临界失效面的概念,指出了紧固件连接的计算假定、依据和普通螺栓杆轴方向受拉连接中撬力作用的概念;解释了考虑铝合金截面屈曲后强度和焊接热影响效应的有效厚度法计算理论和相应的有效截面计算方法,并研究了工程中常用的工字形截面

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范文四:铝合金扶手杆的结构设计 投稿:洪虜虝

  摘要:扶手是城轨车辆必不可少的组成部分,能起到维持乘客站立平衡和缓解乘客疲劳的作用。文章选取北京S1线磁浮列车的中立柱铝合金扶手杆作为分析对象,通过有限元仿真试验研究扶手杆几何设计参数对铝合金扶手杆强度的影响,为扶手设计提供理论依据。   关键词:城轨车辆;铝合金扶手杆;有限元方法;结构设计;磁浮列车 文献标识码:A   中图分类号:O346 文章编号:1009-2374(2016)16-0007-03 DOI:10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.16.004   城市轨道列车是一种运行于城市内部的快速、大运量的轨道车辆,具有优越的疏通客流的能力,车辆内部装饰和设备根据客流量进行布置。为了能够提高客运能力,适应轨道交通短途、大运量的特点,车辆内部只布置座椅和扶手,因此扶手是城轨车辆中重要的内装部件。在车辆正常启动、停车以及紧急制动的时候,扶手起到维持乘客站立平衡和缓解乘客疲劳的作用,其布局和结构形式多种多样。在客流高峰时期,中立柱扶手杆上抓扶的乘客数量很多,导致扶手杆承受较大的冲击力。因此在扶手的结构设计中,会重点考虑扶手杆的强度、刚度性能,要求扶手杆能满足一定的静态载荷而不产生永久变形、断裂等问题。   在实际应用中,扶手杆多采用不锈钢管制成,其直径一般在32~38mm之间。不锈钢管表面多采用拉丝电涌或喷砂点解抛光处理。   铝合金材质的扶手杆在国内城轨车辆领域应用比较少,主要原因在于普通工业用铝合金的力学性能弱于不锈钢,且表面处理比较困难。现有的城轨车辆中,铝合金扶手多采用阳极氧化进行表面处理。但是铝合金有着不锈钢无法比拟的优势:重量轻、易成型。   有限元分析作为一种辅助设计手段,在城轨车辆的强度分析中已有应用。参考文献[1]根据标准《客车车体及其构件的载荷》(UIC 566-1990)中规定的“扶手纵向、水平和垂直三个方向的载荷大于750N”,结合上海轨道交通11号线车辆扶手结构,对地铁车辆的受力最恶劣的座椅侧扶手进行强度分析计算,结果表明铝合金材质具有轻量化、易成型的优点,并且得出在给定的工况条件下,该扶手结构满足强度要求。参考文献[2]以广州地铁6号线车辆铝合金扶手结构设计为例,利用ANSYS Workbench仿真软件建立了顶部扶手的数值分析模型,论述了该模型的约束和加载情况,并通过应力应变分析,得出了最后的计算结果。结果表明,利用有限元分析可以缩短设计和验证周期,避免多次试验不合格再修改设计进行验证的情况。如此既可以节约时间,又可以节省试验费,提高设计效率。   但是这些研究基本上都是在铝合金扶手杆几何尺寸不变的条件下进行的强度验证试验,极少涉及铝合金扶手杆几何设计参数最优取值的问题。   本文在前人研究的基础上,以大量的实验数据为依据,结合自己的研发设计工作:分析了铝合金扶手杆外径D和壁厚ξ对扶手杆应力应变的影响趋势,在满足强度要求的条件下,寻求D和ξ的最优取值;讨论了增强铝合金扶手杆强度的其他结构设计方式。   1 壁厚和直径对扶手杆强度的影响   1.1 扶手杆模型描述   磁浮列车是一种新型交通工具,利用磁力使车体浮离地面,跟地面保持一定距离,保持磁浮的状态,再利用电机推进,就像一架超低空飞机贴近特殊的轨道运行。磁浮列车不同于一般的城轨、地铁车辆,轻量化是磁浮车辆永恒的主题之一。   唐车公司研发生产的中低速磁浮列车对车内设备的重量提出了比较苛刻的要求。为了达到轻量化的要求,车辆的各部件都要求在满足性能需求的前提下尽可能减轻重量。因此,相对于不锈钢材质的扶手,铝合金扶手是一种不错的设计方案。   本文拟采用的材料为7020A-T6,符合GB/T 6892-2006标准要求。   材料常数如表1所示:   车内所采用的铝合金扶手杆,杆长2100mm,为薄壁空腔圆管。试样外径设为D,壁厚设为ξ;扶手杆局部最大应力设为σ,安全系数S=δs/σ,根据《客车车体及其构件的载荷》(UIC 566-1990),要求最小安全系数S大于1.1。   1.2 建立数值分析模型   1.2.1 网格划分。在ANSYS Workbench环境中导入外部几何结构,采用Solid六面体单元离散,构建整体结构的详细分析模型。扶手杆采用扫掠的方法进行网格划分,如图1所示:   1.2.2 约束及加载。计算中采用实际的约束方式,即扶手杆两端的6个自由度完全约束。   加载方面,要求:(1)900N的横向负载应用在所有扶手范围内的任何点上,1300N/m的叠加力均匀分布,扶手不允许出现永久变形;(2)900N的垂直负载应用在所有扶手范围内的任何点上,1300N/m的叠加力均匀分布,扶手不允许出现永久变形。   1.3 强度计算与分析   加载后的Von-Mess应力云图如图2所示:   通过大量的仿真计算发现,扶手杆发生应力集中最严重的区域,发生在扶手杆两端施加约束的地方,如图3所示。在扶手杆的末端,可以通过局部加强来提高强度。   1.3.1 壁厚ξ对扶手杆局部最大应力σ的影响。在外径D为32~38mm,壁厚分别为1~4mm的49种铝合金扶手杆试样上进行试验、计算,得到的扶手杆局部最大应力σ随ξ的变化情况如图4所示:   从图4可以看出:(1)在外径D一定的条件下,ξ是影响扶手杆强度的一个主要因素。σ随着ξ的增大而逐渐的减小。当ξ小于2.5mm的时候,局部应力集中的变化幅度非常大,变化幅度接近100~140MPa/0.5mm;但随着ξ的逐渐增大,使得扶手杆的承载能力得到加强,应力集中明显削弱。当ξ为2.5~4mm时,试样局部最大应力趋于稳定。(2)在ξ一定的条件下,σ随D的增大而逐渐减小,但变化不大,基本都在5~10MPa/mm,说明扶手杆外径D对应力集中的影响程度很小。   1.3.2 ξ对S的影响。   从图5可以看出:   当D=32mm,ξ>4mm;D=33mm,ξ>3.8mm;D=34mm,ξ>3.5mm;D=35mm,ξ>3mm;D=36mm,ξ>2.5mm;D=37mm,ξ>2.2mm;D=38mm,ξ>2mm时,S>1.1,符合设计要求。其他情况不能够满足强度要求。   从试验数据可以得出,ξ是影响安全系数的重要因素,0.5mm壁厚差值,就会造成很严重的局部应力集中,产生局部疲劳失效区域,不利于扶手杆的整体强度。   2 扶手杆断面设计   2.1 新型断面设计   铝合金扶手杆与不锈钢扶手杆,除了材质和壁厚不同外,多数情况下采取了同样的设计方式,即空腔薄壁结构,如图6所示:   为了增强铝合金管的强度,除了增加壁厚,还可以通过内部加强筋的方式来提高强度,扶手杆型腔断面如图7所示。   2.2 强度计算   在外径D为38mm,如图6、图7所示两种类型的铝合金扶手杆试样上进行试验、计算,得到的扶手杆最大应力σ随ξ的变化情况如图8所示:   从图8可以看出,增加加强筋后,铝合金管的抗疲劳强度大大增强。   3 结语   综上所述,所得到的结论主要如下:(1)壁厚ξ是影响安全系数S的主要影响因素。ξ对S的影响,主要是因为ξ的变化改变了扶手杆应力集中区域的应力集中程度。ξ减小,扶手杆两端的应力集中加剧;ξ增大,应力集中减弱,故ξ越小越不利于扶手杆的抗疲劳能力。(2)外径D对安全系数S有一定的影响,但是影响不大。(3)本文中,内部加强筋是增加铝合金扶手杆强度的有效方式,加强筋的使用避免了单一的通过增加壁厚来提高强度的单一方式,而且强度更高。   参考文献   [1] 李振阳,郭海洋.上海轨道交通11号线车辆侧扶手强度分析[J].电力机车与城轨车辆,2012,35(3).   [2] 马维莲,张克姝.有限元分析在城轨车辆扶手结构设计中的应用[J].沿海企业与科技,2011,(12).   [3] 张光伟,韩志卫.北京地铁八通线地铁车体开发设计[J].铁道车辆,2005,43(11).   [4] 陆娟,洪荣晶,朱状瑞.铝合金地铁车体零件有限元模态分析[J].铁道工程学报,2005,(6).   [5] 岳译新,林文君,雷挺.地铁铝合金车体模态和稳定性有限元分析[J].设计与研究,2008,35(4).   [6] 一般工业用铝及铝合金挤压型材(GB/T 6892-2006)[S].

范文五:铝合金车轮设计及结构分析 投稿:袁釙釚

  【摘要】车轮是汽车行驶系统中重要的安全部件,汽车前进的驱动力通过车轮传递,车轮的结构性能对整车的安全性和可靠性有着重要的影响。另外,车轮还是汽车外观的重要组成部分。传统车轮设计多凭借经验展开,存在着设计盲目性大、设计制造周期长、成本高等诸多弊端。面对日益激烈的市场竞争,企业迫切需要采用科学的手段改善设计方法,本文所采用的CAD技术和有限元分析方法是解决上述问题的理想方法。本文运用工业设计理论,将造型设计构思表现的方法与技能应用于车轮设计中,结合车轮结构尺寸优化和形状优化,使工程技术与形式美密切结合,综合表现了车轮的性能、结构和外观美。   【关键词】铝合金车轮;有限元分析;结构设计;强度分析;疲劳分析   1.引言   普遍意义的车轮包括轮胎和金属轮辆一轮辐一轮毅两部分,本文所研究的车轮只限于金属轮惘一轮辐一轮毅部分,不包括轮胎。车轮是介于轮胎和车桥之间承受负荷的旋转件,它不仅承受着静态时车辆本身垂直方向的自重载荷,同时也经受着车轮行驶过程中来自各个方向因起动、制动、转弯、物体冲击、路面凹凸不平等各种动态载荷所产生不规则力的作用,是车辆行驶系统中重要的安全结构部件,其结构性能是车轮设计中主要因素[1]。另外,车轮作为整车外观的主要元素之一,象征着整车的档次,多变的铝合金车轮轮辐形态和明亮的色泽越来越为人们所关注,因此车轮的外观设计也因此变得越发的重要。   2.铝合金车轮的设计方法   车轮制造企业的设计手段依然采用传统的设计方法,其设计及生产流程如图1所示。   图1 传统的车轮设计流程图   产品的结构强度、疲劳性能则在产品试样制造出来后,通过试验来验证。这样导致产品的设计周期过长,成本过高。而且设计时为了保证产品的通过率,避免反复多次修改模型,设计人员往往留有过大的设计欲量,对于大批量生产的企业,这无形中造成了材料浪费,增加成本[2]。   此外,当试验失败进行结构修改时,设计人员也是凭借经验,通过局部增加材料达到提高强度的目的,缺乏理论依据,具有较强的盲目性,对于产品的结构优化更是无从入手[3]。因此,采用新的技术和手段,使车轮设计由经验类比型向科学分析计算型转变,是车轮行业一项势在必行的工作。   3.载荷的处理   试验中车轮所受到应力有弯曲疲劳试验工况下产生的结构应力和车轮在制造过程(如铸造、机加工、热处理等)中产生的残余应力。车轮铸造中往往会产生疏松、针孔等缺陷,它们在一定程度上影响了材料的属性及其疲劳强度,机加工过程的进刀量和进刀速度等工艺也会在车轮上留下残余应力,热处理过程有着消除残余应力的作用,但是这些残余应力受众多因素影响[4],难以在有限元仿真中进行定量分析,因此我们只考虑试验工况下车轮结构应力的作用。   在动态弯曲疲劳试验工况下,车轮承受载荷来源有三个,轮毅紧固螺栓产生的预紧力、车轮高速旋转时产生的离心力和试验弯矩载荷。表1和表2分别为车轮的设计参数及试验参数。   表1 车轮设计参数   产品规格 设计载荷 静载荷半径 偏距 安全系数   16×6.5 500kg 350mm 50mm 2   (1)试验弯距   试验弯矩可通过式(1)求得。最小循环次数也可根据车轮的尺寸及安全系数查SAE J2530得出,车轮试验参数如表2所示。   表2 车轮的试验参数   产品规格 试验弯矩 实验转速 螺纹扭矩 要求寿命   1.6×6.5 2880 1700 110 2000000   在有限元模型中,载荷是加在加载轴端,L为加载轴长度:   M=L×Fv                           (1)   施加载荷:    (2)   (2)螺栓预紧力   在试验过程中车轮通过轮毅的五个螺栓固定在安装盘上,螺纹规格为M12x1.5,试验要求螺栓扭矩达到110Nm,根据机械设计原理,普通螺纹力矩:   (3)   螺栓轴向载荷:    (4)   螺纹中径:   升角λ:    (5)   当量摩擦角:    (6)   其中,普通螺纹的牙型斜角为300}螺栓材料为A3钢,其摩擦系数f为0.20根据上述公式,代入相关数据即可得作用在轮毅上螺栓预紧力。   4.设计载荷的变化对结构应力的影响   为了检测车轮的疲劳性能,改变车轮的设计载荷,对不同的设计载荷分别进行车轮的弯曲疲劳寿命试验。表3-7是设计载荷及其相应的试验弯矩。本节利用有限元静力学分析法,计算车轮在各试验弯矩作用下,结构危险点的应力值状况,分析结果如表3所示。   表3 设计载荷及其相应的试验弯矩   试验载荷kg 330 500 690 865   试验弯矩Nm 1920 2880 4000 5000   节点Mpa 71.5 108 149 189   由于螺栓预紧力仅对螺栓孔附近区域产生影响,对车轮结构其他部位影响近乎为零,因此有限元分析时仅考虑离心力及试验弯矩作用(以下分析相同)。   由分析结果可见,随着设计载荷、试验弯矩的增大,车轮结构的应力也随之线性增大。应力最大点在四种试验弯矩下,结构应力值均低于材料的屈服极限,处于线弹性状态,因此采用线弹性分析是可行的。   5.结论   车轮是介于轮胎和车桥之间承受负荷的旋转件,是车辆行驶系统中重要的安全部件,同时也是汽车外观重要组成部分,车轮的造型设计、结构强度和疲劳强度是车轮设计的关键。传统的车轮设计主要进行造型设计,结构强度和疲劳强度通过试样的试验验证。该方法对经验有很强的依赖性,存在设计盲目性大、周期长、成本高等弊端。   结合有限元方法对车轮进行结构优化、强度分析和疲劳分析,在设计阶段预测车轮的结构强度和疲劳寿命,并实现优化设计。保证产品质量的前提下,缩短了产品的设计周期,降低了产品的设计和制造成本。   参考文献   [1]赵玉涛编.铝合金车轮制造技术[M].北京:机械工业出版社,2004.   [2]王祖德.中国汽车车轮生产现状及展望[J].汽车与配件,2001(23):21.   [3]姜晋庆,张铎编.结构弹塑性有限元分析法[M].北京:宇航出版社,1990.   [4]翁运忠,张小格.载货车车轮轮辐结构优化分析[J].汽车科技,2002(1).   作者简介:王豪楠(1990―),男,山东烟台人,研究方向:汽车运用工程。

范文六:建设部关于发布国家标准《铝合金结构设计规范》的公告 投稿:陆漬漭

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33 西

向外窗 遮阳系数 与能 . 电耗、的 关 系

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到O8 全 年空 能 耗增 调 大3% ,. ., 全 年 采能 耗减 暖 少 6 %3, .全耗 电量增 大 年2 与2 东的向年耗 电全增 量5 %。 .加率 基本相等 ,但 西 向外窗 遮阳系一 般数 会小 不于 O3 否 则 ,. , 光效 果采 相对就较 。差 遮 阳系数 O 从 5.增 大 到 8 全 O年空调 耗增能 2 %大,., - 全 采 暖年能耗 减   4少 2% , 全年耗 电量增. 大1% 。以明显 看出 , 5 . 4可 低  西降 向外遮窗阳系数 降对低全 耗年电 量 明显 ,不效果 差 于东 及向南 。向 这和我们通常 认 为“的 晒 ”一  西这 观念不 一 ,样其原 因与 献文[2 1 到的 西向 墙 窗比变  提中化 对建 能耗筑 影 的要响小于 东 一向致 。但 文字 说明  面稍 有差方 异 ,此因本文 作者 将 原因阐述 下 如西 l“ 晒 一”般是 指 夏 季 向西户或窗 外墙受 阳 直射光辐 射 并 引起 室内温 度 升 高, 透过 户 窗的射辐 直接增加 空  能调 耗而 ,通墙过体 衰 的减度波温要 迟 延到上 晚 2 O 点  左 右才引起 调 空耗能 增加的 , 此室时内外 温 均  度有 所降下。 是但, 房 间所向受 太的 辐射产 生阳温  东的 度波 约大在 午 1中2点 右才左 传室人内 时室 ,温内  度此比晚 温度 上 ,高并 且东向 太阳 辐射 高 西 向 于 ,因   此 向, 间房的耗电 量 要 于大西 房向间 , 就 说 是,东 也   太辐阳 对射西 向 间房的 响不影 东如向房 间 为。 了和  东 、 向 外窗比 较, 9和 图 1 图南 给O 出了 向外 西 窗 遮 系阳 数 O5变从 化 O8到对建 耗筑 热量 指 及 耗 冷  . 标.量指 的影 响标, 其变 规化 和律 东 、向 基本致 一。南   L"

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范文七:铝合金车体结构设计构思_常树民 投稿:赵檬檭

󰀁设计制造

文章编号:1002󰀁7602(2004)09󰀁0009󰀁05

铁道车辆󰀁第42卷第9期2004年9月

铝合金车体结构设计构思

常树民,马纪军

(中国北车集团唐山机车车辆厂技术中心,河北唐山063035)

摘󰀁要:从铝合金材料特性出发,介绍了铝合金车体结构的设计原则和实施方案,并采用有限元技术对该方案进行了强度及刚度分析。

关键词:铝合金车体;结构;强度;刚度;有限元中图分类号:U271󰀁󰀁󰀁文献标识码:B

󰀁󰀁客车车体就结构材质而言,可分为普通低碳钢车体、耐候钢车体、不锈钢车体、铝合金车体和玻璃钢车体5类。

随着高速列车和轻轨、地铁的出现,列车的高速化、轻量化、低重心化和低噪声化等课题越来越为广大工程技术人员所重视。而铝合金以其较小的密度、较大的比强等优良品质,逐渐被广泛应用于客车车体上,并由此进入铝合金车体时代。

(5)易于再生。铝的熔点低(660󰀁),再生简单。在废弃处理时也无公害,有利于环保,符合可持续发展战略。

根据铝合金车体结构及制造、运用情况,选择材料时应遵循以下原则:(1)从轻量化方面考虑,要求强度、焊接性、挤压加工性、维护保养性好;(2)从寿命方面考虑,要求耐蚀性、表面处理性高;(3)从制造效率方面考虑,要求焊接性、挤压加工性、成型加工性高。根据以上原则,铝合金车体主要使用5000系列、6000系列、7000系列的铝合金。3个系列的铝合金材料的特性及用途见表1。

表1󰀁铁道车辆常用铝合金材料的特性及用途

1󰀁铝合金材料特性

(1)质轻且柔软。铝的密度为2󰀁71g/cm3,约为钢密度(7󰀁87g/cm3)的三分之一;杨氏模量也约为钢的三分之一。

(2)强度好。纯铝的抗拉强度约为80MN/m,是低碳钢的五分之一。但经过热处理强化及合金化强化,其强度会大幅增加。如铝合金车体常用的材质6005A󰀁T6,它的最低抗拉强度为360MN/m,能达到低碳钢相应的强度值。

(3)耐蚀性能好。铝合金的特性之一是接触空气时表面会形成一层致密的氧化膜,这层膜能防止腐蚀,所以耐蚀性能好。若再对其实施󰀁氧化铝膜处理法󰀁,就可以全面防止腐蚀。

(4)加工性能好。铁道车辆用型材挤压性能好,二次机加工、弯曲加工也较容易。

收稿日期:2004󰀁01󰀁09;修订日期:2004󰀁04󰀁30作者简介:常树民(1972󰀁),男,工程师。

2

2

铝合金种类主要成分特性

󰀁耐蚀性、焊接性、

成型性很好,强度也较高,代表合金有5052、5083、5056、5N01等

󰀁耐蚀性、强度好,有的挤压加工性也好,代表合金有6005A、6061、6063、6N01等

主要用途󰀁建筑、船舶、车辆机械部件、饮料罐等

5000系列Al

Mg(0󰀁2%~5󰀁6%)

6000系列AlMg(0󰀁45%~1󰀁5%)Si(0󰀁2%~1󰀁2%)

󰀁车辆结构

材、结构杆件、建筑用框架、螺栓、铆钉等

7000系列Al

Zn(0󰀁5%~6󰀁1%)Mg(0󰀁1%~2󰀁9%)Cu(0󰀁1%~2󰀁0%)

󰀁焊接性、耐蚀性󰀁车辆结构

差,强度最高。Al󰀁材、飞机杆Zn󰀁Mg合金的焊接件、体育用品接头效率高,代表合金有7005A、7075、7178、7N01、7003等

接处,从而避免了大梁中部的破坏。据计算结果对翻车机大梁进行了重新设计。根据现场测试结果证实,仿真计算所建立的力学模型、施加的载荷以及边界约束都是正确的;经现场使用证明,增加管

梁转移应力到其法兰连接处的方案达到了设计目的。

(编辑:方曼利)

9󰀁

5󰀁结论

通过应用有限单元法对翻车机钢结构进行仿真分析和优化计算,得出不同工况下的应力和变形值,并依

铁道车辆󰀁第42卷第9期2004年9月󰀁

2󰀁铝合金车体的特点

世界上最早的铝合金车是1952年英国研制的伦敦地铁电动车。铝合金车体的发展经历了板梁期、开口型材期和现在的大型中空挤压型材期3个发展阶段,现在逐渐走向成熟。铝合金车体具有如下优点:

(1)能大幅度降低车辆自重,在车长相同的条件下,与钢质车相比自重降低大约30%~35%,强度重量比约为钢的2倍。钢质车、不锈钢车、铝合金车车体重量之比为10󰀁8󰀁6。

(2)具有较小的密度及杨氏模量,所以铝合金对冲击载荷有较高能量吸收能力,可降低振动,减少噪声。

(3)可运用大型中空挤压型材进行气密性设计,提高车辆密封性能,提高旅客舒适度。

(4)采用大型中空挤压型材制造的板块式结构,可减少车体同设备之间连接元件的重量与数量。

(5)减少维修费用,延长使用寿命。

钢的三分之一,杨氏模量也为钢的三分之一,要使刚度与钢相同,就要考虑零部件的断面形状。

3.2.4󰀁采用大型中空挤压型材

采用大型中空挤压型材,取消普通车上的各梁、柱及补强等,可使车体进一步轻量化,减少制造成本,延长使用寿命,提高刚度。同时,为提高车内舒适性,车内宽度要尽量加大,各墙总厚度和结构型材厚度应尽量减小。

3.2.5󰀁考虑内部设备的安装

大型中空挤压型材要综合考虑座椅、茶桌、行李架及车下设备等的安装,集几个功能于一身,其位置、结构尺寸与形式等均应综合考虑,以便实现标准化、模块化。

3.2.6󰀁具有良好的工艺性

零部件结构设计及断面尺寸应具有良好的工艺性,保证焊接良好。3.3󰀁结构设计

3.3.1󰀁总体设计

理想的车体结构应是一种管状结构,在纵向横截面的变化应尽可能小,端部设一端墙或符合空气动力学的司机室。管状外壳由大型中空挤压型材用自动焊焊接而成,车窗孔在侧墙装配完成后用机器加工。

断面采用符合空气动力学的鼓形断面,采用低重心、低的运行阻力和良好的动态包络线,以减小列车过曲线时的轮轨力和轮重减载率。

各种车采用同样的壳体,只是侧墙、地板、车顶开孔不同,这样就可以实现标准化、模块化。

因铝合金具有良好的耐蚀性、挤压加工性和较高的强度,挤压型材外表面和腹板最小壁厚可达2󰀁8mm和2󰀁5mm,所以纵向挤压型材采用6005A材料(200MPa󰀁󰀁s󰀁225MPa)。底架牵引梁、枕梁、缓冲梁、端梁因需要较高的强度而断面又不复杂,故采用7005A(󰀁s=290MPa)。3.3.2󰀁车顶结构

车顶为自承载结构,采用厚3mm的有足够刚度的密封中空挤压型材(总厚50mm)插接而成。型材内侧表面设内顶、风道等安装用的C形槽。纵向对接接头采用MIG焊自动焊接,坡口钝边厚度0~1mm,以保证足够的焊缝宽度和熔深。插接接头形式如图1,为保证车顶外面圆滑过渡及组装方便,图中I部采用圆角。

3.3.3󰀁侧墙结构

侧墙采用厚3mm的中空挤压型材(总厚50mm)插接而成,纵向对接接头采用MIG自动焊接,组装之后切割窗孔。为降低窗角应力,车窗圆角半径不应太

3󰀁铝合金车体结构设计

3.1󰀁总体思路

发展高速铁路,研制高速列车,是世界铁路运输的发展方向。同时,城市轻轨也是改善城市交通状况,提高人类生活质量的必然趋势。由此,产生了包括乘坐舒适性、空气动力学性能、车体轻量化在内的一系列课题。采用铝合金车体,目的就是从结构上解决这一系列问题。3.2󰀁设计原则

3.2.1󰀁车体要求具有好的空气动力学外形

良好的空气动力学外形可减小列车高速运行的空气动力学阻力。头车的流线型设计、拖车的鼓形断面、窗与外板间高度差的缩小以及光滑的外表面都可改善车体的动力学性能。

3.2.2󰀁车体要求气密性

当列车高速进入隧道时,由于空气具有压缩性,会在车体侧面发生压力波动。特别是会车时,压力值变化最大,可达3920Pa。如果这个压力变动通过车体各部的微小空隙传入客室,乘客就会感到耳部不适。因此,高速车体要采用气密结构。但气密结构的采用会产生更高的附加载荷,故结构设计时要考虑气动载荷。

3.2.3󰀁轻量化并满足刚度要求

铝合金的比强为钢的2倍,在轻量化上是很有效的材料。但从刚度上考虑,由于铝合金材料的密度为

󰀁铝合金车体结构设计构思󰀁常树民,马纪军

小;纵向焊接引起的热桥要与窗角离开一段距离;如有盲窗结构,窗间型材应加厚至5mm~7mm。图2为带盲窗的侧墙局部结构,

为保证各部定位准确及组装方便,图中I部采用斜角。

为防止空气动力载荷作用下的变形,一方面要通过型材内腹板来提高横向刚度,另

图1󰀁插接接头形式

横向剪切、垂向弯曲和压缩、纵向拉伸和压缩等载荷。如此复杂的受力情况,导致此处为高应力区,所以该区最好远离焊缝。此处结构可按图3处理。

另外,25型车辆靠近枕梁处的地板普遍存在应力集中,为改善这一状态,在铝合金车体设计过程中,地板应采用通长的焊接结构。牵引梁小断面处容易产生应力集中,故在断面收缩处应谨慎

图3󰀁侧墙与底架接点

一方面要通过增加外板厚度来提高结构的面外弯曲刚度。因此,为获得与弹性系数和密度大的材料同等的面外弯曲刚度,必须加大板厚。3.3.4󰀁端墙结构

端墙的结构设计,既要考虑车辆发生事故碰撞冲击时吸收变形能量,又要考虑车体的横截面刚性。较强的风挡框与半包围的弯梁柱之间由厚50mm的中空挤压型材连接。闭口型材的端角柱将端墙与底架缓冲梁连成一体,既增加了车端的断面模数,又简化了组装工艺。焊接坡口应考虑

图2󰀁带盲窗的侧墙

局部结构

处理,可通过在此处加斜筋、增加下盖板板厚等方法加以解决。3.3.6󰀁裙板

流线型裙板可减小列车运行时的空气动力学阻力,将空调机组、水箱等设备置于车下,可降低车辆重心高度,提高动力学性能。裙板结构可分为不承载结构和承载结构。下面重点说明承载结构。

安装在车体底架上两转向架之间的流线型裙板,在靠近转向架的部分制成封闭轮廓。持久作用于裙板的负载主要是拉伸应力,压缩应力不大,而且仅在列车制动时,在有限的制动距离内周期产生。

在上述承载条件下,流线型裙板应是组合结构,底部制成承载的平板或曲率小的平板,而侧面部分制成可拆卸的非承载的盖或可放下的门,以便车下设备的安装和检修。裙板仅在两端与底架有刚性连接,其余部分则通过骨架连接。这些骨架在横向平面、局部在纵向平面上起加强板作用,在纵向平面上还起到弹性连接作用。裙板中最好保留一部分残余拉伸应力。

挤压型材形状,同时应将焊接部位放在低应力区。3.3.5󰀁底架

底架由2根空腹多室断面的侧梁、若干宽幅空心薄壁桁架式断面的长大闭口型材(厚60mm)及牵引梁、枕梁、缓冲梁、端梁等组成。边梁、地板型材上部C形夹沟用来固定地板,并通过焊接管通风,以免形成冷凝水。边梁、地板型材下面的沟槽沿底架纵向布置,与型材一起挤压成型,该结构是为吊装车下设备而设置的。由于本部位长期承受各种交变载荷,且结构复杂,焊缝集中,故设计时应重点考虑。

铝合金熔焊的焊缝区域是微细的铸造组织,其机械强度比母材低,所以焊缝是车体的薄弱环节,会导致热影响区强度的下降。只有通过重复热处理(固熔处理、淬火、析出硬化),才可能再次提高强度值,而这在实际生产中几乎是不可能的。但Al󰀁Zn󰀁Mg合金是一个例外,因为焊接热影响区降低的强度会因室温时效而迅速升高,使得材料得到冷硬化。因此,枕梁、牵引梁、缓冲梁材质选用7000系列的7005A。

车辆在运行中,侧墙与底架的连接部承受纵向和

4󰀁铝合金车体结构有限元计算

4.1󰀁铝合金客车车体数学模型的建立

4.1.1󰀁几何模型

由于铝合金车体基本上是采用中空挤压型材(枕梁、牵引梁除外),在建立有限元的几何模型时,应该基本上反映出该车的结构特点,故把该车的几何实体全部简化为面,以利于后面的有限单元的划分。图4为车体断面图。

4.1.2󰀁铝合金车体的有限元模型

本次计算模型采用2种方案,扭转工况和模态分析时采用整体结构模型,其他工况用二分之一结构模型。用于划分网格的几何形状几乎全从设计中各处厚度的中面提取。其中,包括车顶、侧墙、下边梁、底架、

󰀁

铁道车辆󰀁第42卷第9期2004年9月󰀁

端墙等均用相对等厚度的薄壳元模拟,少量门柱、角柱

等则用梁元模拟。

4.3.2󰀁扭转刚度

在扭转载荷Mk=40kN󰀁m作用下得到4个支承点垂向距离变化值后,计算相当扭转刚度GJp=6󰀁57󰀁108N󰀁m2/rad,满足󰀁暂行规定󰀁的要求。

表3󰀁材质许用应力󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁MPa

超常载荷许用应力运用载荷许用应力

材质

屈服

极限290225215

无焊缝区290225215

有焊缝区263.6204.5195.5

无焊缝区193.3150143.3

有焊缝区175.8136.4130.3

7005󰀁T6(󰀁󰀁40mm)6005A󰀁T6(󰀁󰀁5mm)6005A󰀁T6(5mm

6005A󰀁T6(10mm

图4󰀁车体断面

200200181.8133.3121.2

二分之一结构计算模型参数:单元总数198655,节点总数76851。

整体结构计算模型参数:单元总数397310,节点总数182320。

4.2󰀁位移边界条件及计算载荷

整体结构计算模型按实际情况在空气弹簧座处施加支承约束;二分之一结构计算模型除在空气弹簧座处施加支承约束外,还在对称面施加相应约束。

计算载荷根据󰀁200km/h及以上速度级铁道车辆强度设计及试验鉴定暂行规定󰀁(以下简称󰀁暂行规定󰀁)选取。

表2列出了车体钢结构主要部位的材质,表3列出了材质许用应力。

表2󰀁车体钢结构主要部位材质

名称前牵引梁枕梁下盖板加强梁门柱侧墙板车钩承压座端门柱端墙板

材料7005󰀁T67005󰀁T66005A󰀁T66005A󰀁T66005A󰀁T67005󰀁T66005A󰀁T66005A󰀁T6

名称牵引梁枕梁上型材侧梁车顶板枕内地板端门横梁端墙立梁

材料7005󰀁T67005󰀁T67005󰀁T66005A󰀁T66005A󰀁T66005A󰀁T66005A󰀁T6

4.3.3󰀁强度

表4给出了每一计算载荷作用下主要部位的应力值(当量应力)。

表4󰀁各工况主要部位应力值󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁MPa

300kN压缩载荷

应力部位

垂直载荷

压缩载荷

拉伸载荷

车顶与侧墙相交处13.86.514.48.517.713.993.355.411.9

车窗下缘高度处12.85.98.55.416.89.346.67.33.84

牵引梁腹板14.512060.0122.040.521289.4214.090.480.6

8040.081.427.0141.059.614360.353.7

牵引梁下盖板21.5枕梁腹板枕梁下盖板地板下边梁侧墙车顶缓冲梁应力部位牵引梁腹板

77.722.943.755.143.732.18.8

气动载荷合成工况一合成工况二12.1

12520814353.4225.0130.0246.010384.0

75.019398.926.8141.069.3115.047.850.3

合成工况三

11.421.298.218.895.050.798.682.18.2

牵引梁下盖板19枕梁腹板枕梁下盖板地板下边梁

14.88.345.135.269.362.37.44

4.3󰀁计算结果及其分析4.3.1󰀁垂向弯曲刚度

垂直静载荷作用下,侧墙下侧梁中部最大挠度为fc=11󰀁26mm。将fc代入垂向弯曲刚度计算公式得到EJ=1󰀁92󰀁10N󰀁m,满足󰀁暂行规定󰀁要求。9

2

侧墙车顶缓冲梁

󰀁󰀁注:合成工况一为垂直载荷+压缩载荷;合成工况二为垂直载荷+拉伸载荷;合成工况三为垂直载荷+气动载荷。

󰀁设计制造

文章编号:1002󰀁7602(2004)09󰀁0013󰀁03

铁道车辆󰀁第42卷第9期2004年9月

后成型装饰贴面板在铁路客车上的应用探讨

徐会庆

(中南大学交通运输学院,湖南长沙410075)

摘󰀁要:介绍了后成型装饰贴面板的特点及在铁路客车上的应用情况。关键词:后成型装饰贴面板;铁路客车;应用中图分类号:U270.6󰀁󰀁󰀁文献标识码:B

󰀁󰀁热固性树脂浸泽纸高压装饰层积板(简称装饰贴面板)作为一种在铁路客车内装修上应用广泛的表面装饰材料,因其良好的耐磨、耐烟烫、耐污染等理化性能及表面色彩丰富的装饰效果,得到了铁路制造厂家

收稿日期:2004󰀁02󰀁27

作者简介:徐会庆(1970󰀁),男,硕士研究生。

及路局用户的一致认可。新型的装饰贴面板󰀁󰀁󰀁后成

型装饰贴面板除具有普通装饰贴面板的良好性能之外,还可以弯曲成型,覆盖内部基材的边缘并减少过渡连接件,使产品线条流畅,具有整体美感。

本文针对铁路客车的工况特点,就后成型装饰贴面板的性能特点及内装应用中的设计结构、成型工艺、避免开裂的改进措施等进行研究和探讨。

表5󰀁高速列车铝合金车体钢结构固有频率和振型

阶次12345678

频率/Hz10.914.411.115.316.617.018.819.1

振型特征

车体缓冲梁局部振型一车体一阶垂向弯曲振型车体一阶横向弯曲振型车体缓冲梁局部振型二(扭转)侧墙弯曲振型一侧墙弯曲振型二侧墙弯曲振型三车体二阶垂向弯曲振型

󰀁󰀁由表4可以看出,合成工况一最大应力为246MPa,发生在门角处;合成工况二最大应力为141MPa,发生在牵引梁和地板连接处;合成工况三最大应力为98󰀁6MPa,发生在门角处。以上各值均小于许用应力

290MPa,故该车强度满足󰀁暂行规定󰀁的要求。4.4󰀁车体结构的模态分析

经过有限元分析计算,车体钢结构的一阶垂向弯曲自振频率为14󰀁4Hz,满足󰀁暂行规定󰀁的要求。车体钢结构一阶垂向弯曲振型见图5,车体钢结构的模态分析结果见表5

5󰀁结束语

铝合金车体设计是一个系统工程,它涉及材料力学、空气动力学、结构力学、焊接工艺等多个学科领域,还与制造工艺、工装设备等息息相关。今后需要考虑的课题主要有以下几方面:(1)力学分析方法;(2)高速过隧道时相对压力变化的耐久性及负荷条件的设定;(3)车辆碰撞能量吸收的原理及结构的研究;(4)铝合金车体焊接技术;(5)材料公差及焊接变形问题。

参考文献:

[1]󰀁铁道科学研究院.200km/h及以上速度级铁道车辆强度设计及试

验鉴定暂行规定[Z].2000.

[2]󰀁郑回春,陈维瑜.铁道车辆常用金属材料手册[Z].青岛:铁道部四

方车辆研究所,1994.

[3]󰀁陈󰀁亮,马纪军.高速铝合金车体有限元计算报告[R].2003.

图5󰀁车体一阶垂向弯曲振型

(编辑:田玉坤)

󰀁

ABSTRACT

AnalysisofCausestotheVerticalVibrationAccelerationBeingontheHighSideontheLoaded

Double󰀁DeckContainerFlatCar

CHENGHai󰀁tao,etal.

(male,bornin1968,seniorengineer,TechnicalRe󰀁searchDepartmentofSifangRollingStockResearchInstituteofChinaBeicheGroup,Qingdao266031,China)

Abstract:Inlightofthefactthattheverticalvibrationaccelerationisonthehighsideontheloadeddouble󰀁deckcontainerflatcar,onthebasisofthetestresultsfromopera󰀁tionontrack,thecausestotheaccelerationbeingonthehighsideareanalyzedfromtheangleofresilientvibrationofthecars.

Keywords:double󰀁deckcontainerflatcar;verticalvibrationacceleration;verticalcurvedvibration

ResearchontheRacewayTypeTilting

MechanismforTiltingTrains

JIARui󰀁min,etal.

(male,bornin1968,seniorengineer,TechnicalCen󰀁terofTangshanLocomotives&RollingStockWorksofChinaBeicheGroup,Tangshan063035,China)

Abstract:Thetiltingmechanismoftiltingtrainsisde󰀁scribed.Thesimulationresearchismadeonthestructureandgeometricalfeaturesoftheracewaytypetiltingmecha󰀁nismdesignedonthebasisofthebogiesfortiltingDMUsthataredevelopedfirsttimeinourcountry.

Keywords:tiltingtrain;bogie;tiltingmechanism;simulationresearch

TheFiniteElementSimulationAnalysisandOptimizationoftheMainSteelStructure

ofthe3󰀁CarDumper

LIChun󰀁ting

(male,bornin1960,seniorengineer,Design&Re󰀁searchInstituteofDalianHeavyIndustryGroupCo.,Ltd.,Dalian116022,China)

Abstract:Describedinthispaperarethedesignfea󰀁turesofthe3󰀁cardumperaswellasthesimulationanalysisandoptimizationcalculationofthemainsteelstructurewiththefiniteelementmethodinthedesignstageofthescheme.

Keywords:dumper;finiteelement;simulation;opti󰀁mization

TheConceptionoftheStructureDesignoftheAluminumAlloyCar󰀁Body

CHANGShu󰀁min,etal.

(male,bornin1972,engineer,TechnicalCenterofTangshanLocomotives&RollingStockWorksofChinaBe󰀁icheGroup,Tangshan063035,China)

Abstract:Fromthefeaturesofthealuminumalloy,thedesignprinciplesandapplicationschemeofthealu󰀁minumalloycar󰀁bodystructurearedescribed.Andthe

strengthandstiffnessanalysisaremadeontheschemewiththefiniteelementtechnique.

Keywords:aluminumalloycar󰀁body;structure;strength;stiffness;finiteelement

DiscussionoftheApplicationofthePost󰀁FormingDecorationPlateonRailwayPassengerCars

XUHui󰀁qing

(male,bornin1970,graduatestudentformasterde󰀁gree,Communications&TransportationInstituteofZhong󰀁nanUniversity,Changsha410075,China)

Abstract:Describedarethefeaturesofthepost󰀁form󰀁ingdecorationplatesaswellasitsapplicationonrailwaypassengercars.

Keywords:post󰀁formingdecorationplate;railwaypassengercar;application

DevelopmentoftheC32CoalHopperCarinAustralia

WEIHong󰀁liang,etal.

(male,bornin1969,engineer,TechnicalCenterofQiqiharRailwayCar(Group)Co.,Ltd.ofChinaBeicheGroup,Qiqihar161002,China)

Abstract:Thedevelopmentprocess,technicalparame󰀁ters,structure,performancefeaturesoftheC32coalhoppercarareexpounded.Thetestingandoperationofthecararedescribed.

Keywords:hoppercar;structure;test;operationBriefDescriptionoftheContainerFlatCar

ExportedtoPakistan

PANShu󰀁ping

(male,bornin1969,graduatestudentformasterde󰀁greeofengineering,MechanicalandElectronicControlEn󰀁gineeringInstituteofBeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)

Abstract:Describedinthispaperarethestructurefeatures,maintechnicalparametersandtestingofthecon󰀁tainerflatcarexportedtoPakistan.

Keywords:flatcar;structure;testDiscussionoftheDefinition,

AffectingFactorsandMeasurementMethods

oftheBrakingAdhesionCoefficient

WANGGuang󰀁kai,etal.

(male,bornin1975,assistantengineer,Pro󰀁ductDe󰀁velopmentDepartmentofSifangRollingStockResearchIn󰀁stituteofChinaBeicheGroup,Qingdao266031,China)

Abstract:Theseveralnamesofthebrakingadhesioncoefficientareexplained.Thefactorsaffectingthebrakingadhesioncoefficientareanalyzed.Inconnectionwiththeac󰀁tualconditions,themeasurementmethodsofthebrakingad󰀁hesioncoefficientarediscussed.

Keywords:adhesioncoefficient;affectingfactor;

范文八:铝合金车体结构设计构思 投稿:廖剁剂

 设计制造

文章编号:100227602(2004)0920009205

铁道车辆 第42卷第9期2004年9月

铝合金车体结构设计构思

常树民,马纪军

(中国北车集团唐山机车车辆厂技术中心,河北唐山063035)

摘 要:从铝合金材料特性出发,介绍了铝合金车体结构的设计原则和实施方案,并采用有限元技术对该方案进行了强度及刚度分析。

关键词:铝合金车体;结构;强度;刚度;有限元中图分类号:U271   文献标识码:B

  客车车体就结构材质而言,体、耐候钢车体、不锈钢车体、体5类。

列车的高速化、轻量化、工程技术人员所重视。而铝合金以其较小的密度、较大的比强等优良品质,逐渐被广泛应用于客车车体上,并由此进入铝合金车体时代。

()(660℃),再生简单。

,有利于环保,符合可持续发展战略。

根据铝合金车体结构及制造、运用情况,选择材料时应遵循以下原则:(1)从轻量化方面考虑,要求强度、焊接性、挤压加工性、维护保养性好;(2)从寿命方面考虑,要求耐蚀性、表面处理性高;(3)从制造效率方面考虑,要求焊接性、挤压加工性、成型加工性高。根据以上原则,铝合金车体主要使用5000系列、6000系列、7000系列的铝合金。3个系列的铝合金材料的特性及用途见表1。

表1 铁道车辆常用铝合金材料的特性及用途

铝合金种类

主要成分

特性

主要用途

1 铝合金材料特性

(1)质轻且柔软。铝的密度为2171g/cm3,约为钢

密度(7187g/cm3)的三分之一;杨氏模量也约为钢的三

分之一。

(2)强度好。纯铝的抗拉强度约为80MN/m2,是低碳钢的五分之一。但经过热处理强化及合金化强化,其强度会大幅增加。如铝合金车体常用的材质6005A—T6,它的最低抗拉强度为360MN/m2,能达到低碳钢相应的强度值。

(3)耐蚀性能好。铝合金的特性之一是接触空气时表面会形成一层致密的氧化膜,这层膜能防止腐蚀,所以耐蚀性能好。若再对其实施“氧化铝膜处理法”,就可以全面防止腐蚀。

(4)加工性能好。铁道车辆用型材挤压性能好,二次机加工、弯曲加工也较容易。

收稿日期:2004201209;修订日期:2004204230作者简介:常树民(19722),男,工程师。

5000系列Al

Mg(012%~516%)

 耐蚀性、焊接性、 建筑、船成型性很好,强度也舶、车辆机械较高,代表合金有部件、饮料罐5052、5083、5056、等5N01等

 耐蚀性、强度好, 车辆结构有的挤压加工性也材、结构杆好,代表合金有件、建筑用框6005A、6061、6063、架、螺栓、铆6N01等钉等 焊接性、耐蚀性 车辆结构差,强度最高。Al2材、飞机杆Zn2Mg合金的焊接件、体育用品接头效率高,代表合金有7005A、7075、7178、7N01、7003等

6000系列Al

Mg(0145%~115%)Si(012%~112%)

7000系列Al

Zn(015%~611%)Mg(011%~219%)Cu(011%~210%)

接处,从而避免了大梁中部的破坏。

5 结论

通过应用有限单元法对翻车机钢结构进行仿真分析和优化计算,得出不同工况下的应力和变形值,并依

据计算结果对翻车机大梁进行了重新设计。根据现场测试结果证实,仿真计算所建立的力学模型、施加的载荷以及边界约束都是正确的;经现场使用证明,增加管梁转移应力到其法兰连接处的方案达到了设计目的。

(编辑:方曼利)

・9・

铁道车辆 第42卷第9期2004年9月 

2 铝合金车体的特点

世界上最早的铝合金车是1952年英国研制的伦敦地铁电动车。铝合金车体的发展经历了板梁期、开口型材期和现在的大型中空挤压型材期3个发展阶段,现在逐渐走向成熟。铝合金车体具有如下优点:

(1)能大幅度降低车辆自重,在车长相同的条件下,与钢质车相比自重降低大约30%~35%,强度重量比约为钢的2倍。钢质车、不锈钢车、铝合金车车体重量之比为10∶8∶6。

(2)具有较小的密度及杨氏模量,所以铝合金对冲击载荷有较高能量吸收能力,可降低振动,减少噪声。

(3),

钢的三分之一,杨氏模量也为钢的三分之一,要使刚度与钢相同,就要考虑零部件的断面形状。3.2.4 采用大型中空挤压型材

采用大型中空挤压型材,取消普通车上的各梁、柱及补强等,可使车体进一步轻量化,减少制造成本,延长使用寿命,提高刚度。同时,为提高车内舒适性,车内宽度要尽量加大,各墙总厚度和结构型材厚度应尽量减小。3.2.5 考虑内部设备的安装茶桌、行李架,,其位置、结,、模块.2零部件结构设计及断面尺寸应具有良好的工艺性,保证焊接良好。3.3 结构设计3.3.1 总体设计

提高车辆密封性能,(4),。

(5),延长使用寿命。

3 铝合金车体结构设计

3.1 总体思路

发展高速铁路,研制高速列车,是世界铁路运输的发展方向。同时,城市轻轨也是改善城市交通状况,提高人类生活质量的必然趋势。由此,产生了包括乘坐舒适性、空气动力学性能、车体轻量化在内的一系列课题。采用铝合金车体,目的就是从结构上解决这一系列问题。3.2 设计原则

3.2.1 车体要求具有好的空气动力学外形

理想的车体结构应是一种管状结构,在纵向横截

面的变化应尽可能小,端部设一端墙或符合空气动力学的司机室。管状外壳由大型中空挤压型材用自动焊焊接而成,车窗孔在侧墙装配完成后用机器加工。断面采用符合空气动力学的鼓形断面,采用低重心、低的运行阻力和良好的动态包络线,以减小列车过曲线时的轮轨力和轮重减载率。

各种车采用同样的壳体,只是侧墙、地板、车顶开孔不同,这样就可以实现标准化、模块化。因铝合金具有良好的耐蚀性、挤压加工性和较高的强度,挤压型材外表面和腹板最小壁厚可达218mm和215mm,所以纵向挤压型材采用6005A材料(200

σMPa≤225MPa)。底架牵引梁、枕梁、缓冲梁、端梁s≤

因需要较高的强度而断面又不复杂,故采用7005A(σs=290MPa)。3.3.2 车顶结构

良好的空气动力学外形可减小列车高速运行的空气动力学阻力。头车的流线型设计、拖车的鼓形断面、窗与外板间高度差的缩小以及光滑的外表面都可改善车体的动力学性能。3.2.2 车体要求气密性

当列车高速进入隧道时,由于空气具有压缩性,会在车体侧面发生压力波动。特别是会车时,压力值变化最大,可达3920Pa。如果这个压力变动通过车体各部的微小空隙传入客室,乘客就会感到耳部不适。因此,高速车体要采用气密结构。但气密结构的采用会产生更高的附加载荷,故结构设计时要考虑气动载荷。

3.2.3 轻量化并满足刚度要求

车顶为自承载结构,采用厚3mm的有足够刚度的密封中空挤压型材(总厚50mm)插接而成。型材内侧表面设内顶、风道等安装用的C形槽。纵向对接接头采用

MIG焊自动焊接,坡口钝边厚度0~1mm,以保证足够的焊缝宽度和熔深。插接接头形式如图1,为保证车顶外面圆滑过渡及组装方便,图中I部采用圆角。3.3.3 侧墙结构

侧墙采用厚3mm的中空挤压型材(总厚50mm)插接而成,纵向对接接头采用MIG自动焊接,组装之后切割窗孔。为降低窗角应力,车窗圆角半径不应太

铝合金的比强为钢的2倍,在轻量化上是很有效的材料。但从刚度上考虑,由于铝合金材料的密度为・10・

 铝合金车体结构设计构思 常树民,马纪军

小;纵向焊接引起的热桥要与窗角离开一段距离;如有盲窗结构,窗间型材应加厚至5mm~7mm。图2为带盲窗的侧墙局部结构,为保证各部定位准确及组装方便,图中I部采用斜角。

为防止空气动力载荷作用下的变形,一方面要通过型

材内腹板来提

图1 插接接头形式高横向刚度,另

一方面要通过增加外板厚度来提高结构的面外弯曲刚度。因此,为获得与弹性系数和密度大的材料同等的面外弯曲刚度,大板厚。3.3.4 端墙结构

车辆发生事故碰撞冲击时吸收变形能量,又要考虑车体的横截面刚性。较强的风挡框与半包围的弯梁柱之间由厚50mm的中空挤压型材连接。闭口型材的端角柱将端墙与底架缓冲梁连成一体,

横向剪切、垂向弯曲和压缩、纵向拉伸和压缩等载荷。如此复杂的受力情况,导致此处为高应力区,所以该区最好远离焊缝。此处结构可按图3处理。另外,25型车辆靠近枕梁处的地板普遍存在应力集中,为改善这一状态,在铝合金车体设计过程中,地板

应采用通长的焊接结构。3 侧墙与底架接点

,、增加下盖板板厚等方法加。3.3.6 裙板

流线型裙板可减小列车运行时的空气动力学阻力,将空调机组、水箱等设备置于车下,可降低车辆重心高度,提高动力学性能。裙板结构可分为不承载结构和承载结构。下面重点说明承载结构。

安装在车体底架上两转向架之间的流线型裙板,在靠近转向架的部分制成封闭轮廓。持久作用于裙板的负载主要是拉伸应力,压缩应力不大,而且仅在列车制动时,在有限的制动距离内周期产生。

在上述承载条件下,流线型裙板应是组合结构,底部制成承载的平板或曲率小的平板,而侧面部分制成可拆卸的非承载的盖或可放下的门,以便车下设备的安装和检修。裙板仅在两端与底架有刚性连接,其余部分则通过骨架连接。这些骨架在横向平面、局部在纵向平面上起加强板作用,在纵向平面上还起到弹性连接作用。裙板中最好保留一部分残余拉伸应力。

图2 带盲窗的侧墙

既增加了车端的断面模数,又简局部结构

化了组装工艺。焊接坡口应考虑

挤压型材形状,同时应将焊接部位放在低应力区。3.3.5 底架

底架由2根空腹多室断面的侧梁、若干宽幅空心薄壁桁架式断面的长大闭口型材(厚60mm)及牵引梁、枕梁、缓冲梁、端梁等组成。边梁、地板型材上部C形夹沟用来固定地板,并通过焊接管通风,以免形成冷凝水。边梁、地板型材下面的沟槽沿底架纵向布置,与型材一起挤压成型,该结构是为吊装车下设备而设置的。由于本部位长期承受各种交变载荷,且结构复杂,焊缝集中,故设计时应重点考虑。

铝合金熔焊的焊缝区域是微细的铸造组织,其机械强度比母材低,所以焊缝是车体的薄弱环节,会导致热影响区强度的下降。只有通过重复热处理(固熔处理、淬火、析出硬化),才可能再次提高强度值,而这在实际生产中几乎是不可能的。但Al2Zn2Mg合金是一个例外,因为焊接热影响区降低的强度会因室温时效而迅速升高,使得材料得到冷硬化。因此,枕梁、牵引梁、缓冲梁材质选用7000系列的7005A。

车辆在运行中,侧墙与底架的连接部承受纵向和

4 铝合金车体结构有限元计算

4.1 铝合金客车车体数学模型的建立4.1.1 几何模型

由于铝合金车体基本上是采用中空挤压型材(枕

梁、牵引梁除外),在建立有限元的几何模型时,应该基本上反映出该车的结构特点,故把该车的几何实体全部简化为面,以利于后面的有限单元的划分。图4为车体断面图。4.1.2 铝合金车体的有限元模型

本次计算模型采用2种方案,扭转工况和模态分析时采用整体结构模型,其他工况用二分之一结构模型。用于划分网格的几何形状几乎全从设计中各处厚度的中面提取。其中,包括车顶、侧墙、

下边梁、底架、

・11・

铁道车辆 第42卷第9期2004年9月 

端墙等均用相对等厚度的薄壳元模拟,少量门柱、角柱

等则用梁元模拟

4.3.2 扭转刚度

在扭转载荷Mk=40kN・m作用下得到4个支承点垂向距离变化值后,计算相当扭转刚度GJp=6157×108N・m2/rad,满足《暂行规定》的要求。

表3 材质许用应力       MPa

超常载荷许用应力运用载荷许用应力

材质

屈服

极限

290225215

无焊缝区

290有焊缝区

263.655

无焊缝区

193.3150143.3

有焊缝区

175.8136.4130.3

7005・T6(δ≤40mm)6005A・T6(δ≤5)・(5≤10mm・T(δ)

图4 车体断面

200200181.8133.3121.2

二分之一结构计算模型参数:198节点总数76851。

:397310,节点总数182320。

4.2 位移边界条件及计算载荷

4.3.3 强度

表4给出了每一计算载荷作用下主要部位的应力

值(当量应力)。

表4 各工况主要部位应力值     MPa

300kN压缩载荷

整体结构计算模型按实际情况在空气弹簧座处施

加支承约束;二分之一结构计算模型除在空气弹簧座处施加支承约束外,还在对称面施加相应约束。

计算载荷根据《200km/h及以上速度级铁道车辆

(以下简称强度设计及试验鉴定暂行规定》《暂行规)选取。定》

表2列出了车体钢结构主要部位的材质,表3列出了材质许用应力。

表2 车体钢结构主要部位材质

名称前牵引梁枕梁下盖板加强梁门柱侧墙板车钩承压座端门柱端墙板

材料

7005・T67005・T66005A・T66005A・T66005A・T67005・T66005A・T66005A・

T6

应力部位垂直载荷压缩载荷拉伸载荷

车顶与车窗下

侧墙相缘高度交处处

13.86.514.48.517.713.993.355.411.9

12.85.98.55.416.89.346.67.33.84

牵引梁腹板14.512060.0122.040.521289.4214.090.480.6

8040.081.427.0141.059.614360.353.7

牵引梁下盖板21.5枕梁腹板枕梁下盖板地板

77.722.943.755.143.732.18.8

名称牵引梁枕梁上型材侧梁车顶板枕内地板端门横梁端墙立梁

材料

7005・T67005・T67005・T66005A・T66005A・T66005A・T66005A・T6

下边梁侧墙车顶缓冲梁应力部位牵引梁腹板

气动载荷合成工况一合成工况二

12.1

12520814353.4225.0130.0246.010384.0

75.019398.926.8141.069.3115.047.850.3

合成工况三

11.421.298.218.895.050.798.682.18.2

牵引梁下盖板19枕梁腹板枕梁下盖板地板下边梁

14.88.345.135.269.362.37.44

4.3 计算结果及其分析4.3.1 垂向弯曲刚度

侧墙车顶缓冲梁

垂直静载荷作用下,侧墙下侧梁中部最大挠度为

fc=11126mm。将fc代入垂向弯曲刚度计算公式得到EJ=1192×10N・m,满足《暂行规定》要求。

9

2

  注:合成工况一为垂直载荷+压缩载荷;合成工况二为垂直载荷+拉伸载荷;合成工况三为垂直载荷+气动载荷。

・12・

 设计制造

文章编号:100227602(2004)0920013203

铁道车辆 第42卷第9期2004年9月

后成型装饰贴面板在铁路客车上的应用探讨

徐会庆

(中南大学交通运输学院,湖南长沙410075)

摘 要:介绍了后成型装饰贴面板的特点及在铁路客车上的应用情况。关键词:后成型装饰贴面板;铁路客车;应用中图分类号:U270.6   文献标识码:B

  热固性树脂浸泽纸高压装饰层积板(简称装饰贴面板)作为一种在铁路客车内装修上应用广泛的表面装饰材料,因其良好的耐磨、耐烟烫、收稿日期:2004202227

作者简介:徐会庆(19702),,硕士研究生。

———后成,覆盖内部基材的边缘并减少过渡,使产品线条流畅,具有整体美感。

本文针对铁路客车的工况特点,就后成型装饰贴面板的性能特点及内装应用中的设计结构、成型工艺、避免开裂的改进措施等进行研究和探讨。

表5 高速列车铝合金车体钢结构固有频率和振型

阶次

12345678

  由表4可以看出,合成工况一最大应力为246

MPa,发生在门角处;合成工况二最大应力为141MPa,发生在牵引梁和地板连接处;合成工况三最大应力为9816MPa,

发生在门角处。以上各值均小于许用应力290MPa,故该车强度满足《暂行规定》的要求。4.4 车体结构的模态分析

频率/Hz

10.914.411.115.316.617.018.819.1

振型特征

车体缓冲梁局部振型一车体一阶垂向弯曲振型车体一阶横向弯曲振型车体缓冲梁局部振型二(扭转)侧墙弯曲振型一侧墙弯曲振型二侧墙弯曲振型三车体二阶垂向弯曲振型

经过有限元分析计算,车体钢结构的一阶垂向弯曲自振频率为1414Hz,满足《暂行规定》的要求。车体钢结构一阶垂向弯曲振型见图5,车体钢结构的模态分析结果见表5。

5 结束语

铝合金车体设计是一个系统工程,它涉及材料力学、空气动力学、结构力学、焊接工艺等多个学科领域,还与制造工艺、工装设备等息息相关。今后需要考虑的课题主要有以下几方面:(1)力学分析方法;(2)高速过隧道时相对压力变化的耐久性及负荷条件的设定;(3)车辆碰撞能量吸收的原理及结构的研究;(4)铝合金车体焊接技术;(5)材料公差及焊接变形问题。

参考文献:

[1] 铁道科学研究院.200km/h及以上速度级铁道车辆强度设计及试

验鉴定暂行规定[Z].2000.

[2]

 郑回春,陈维瑜.铁道车辆常用金属材料手册[Z].青岛:铁道部四

方车辆研究所,1994.

[3] 陈 亮,马纪军.高速铝合金车体有限元计算报告[R].2003.

图5 车体一阶垂向弯曲振型

(编辑:田玉坤)

・13・

ABSTRACT

AnalysisofCausestotheVerticalVibrationAccelerationBeingontheHighSideontheLoaded

Double2DeckContainerFlatCar

CHENGHai2tao,etal.

(male,bornin1968,seniorengineer,TechnicalRe2searchDepartmentofSifangRollingStockResearchInstituteofChinaBeicheGroup,Qingdao266031,China)

Abstract:Inlightofthefactthattheverticalvibrationaccelerationisonthehighsideontheloadeddouble2deckcontainerflatcar,onthebasisofthetestresultsfromopera2tionontrack,thecausestotheaccelerationbeingonthehighsideareanalyzedfromtheangleofresilientthecars.

Keywords:double2deck;vibrationacceleration;ResearchacewTypeTilting

forTiltingTrains

JIARui2min,etal.

(male,bornin1968,seniorengineer,TechnicalCen2terofTangshanLocomotives&RollingStockWorksofChinaBeicheGroup,Tangshan063035,China)

Abstract:Thetiltingmechanismoftiltingtrainsisde2scribed.Thesimulationresearchismadeonthestructureandgeometricalfeaturesoftheracewaytypetiltingmecha2nismdesignedonthebasisofthebogiesfortiltingDMUsthataredevelopedfirsttimeinourcountry.

Keywords:tiltingtrain;bogie;tiltingmechanism;simulationresearch

TheFiniteElementSimulationAnalysisandOptimizationoftheMainSteelStructure

ofthe32CarDumper

LIChun2ting

(male,bornin1960,seniorengineer,Design&Re2searchInstituteofDalianHeavyIndustryGroupCo.,Ltd.,Dalian116022,China)

Abstract:Describedinthispaperarethedesignfea2turesofthe32cardumperaswellasthesimulationanalysisandoptimizationcalculationofthemainsteelstructurewiththefiniteelementmethodinthedesignstageofthescheme.

Keywords:dumper;finiteelement;simulation;opti2mization

TheConceptionoftheStructureDesignoftheAluminumAlloyCar2Body

CHANGShu2min,etal.

(male,bornin1972,engineer,TechnicalCenterofTangshanLocomotives&RollingStockWorksofChinaBe2icheGroup,Tangshan063035,China)

Abstract:Fromthefeaturesofthealuminumalloy,thedesignprinciplesandapplicationschemeofthealu2minumalloycar2bodystructurearedescribed.Andthe

strengthandstiffnessanalysisaremadeontheschemewiththefiniteelementtechnique.

Keywords:aluminumalloycar2body;structure;strength;stiffness;finiteelement

DiscussionoftheApplicationofthePost2FormingDecorationPlateonRailwPassengerCars

XU(male,in,formasterde2greeInstituteofZhong2,China)

arethefeaturesofthepost2form2platesaswellasitsapplicationonrailwaycars.

Keywords:post2formingdecorationplate;railwaypassengercar;application

DevelopmentoftheC32CoalHopperCarinAustralia

WEIHong2liang,etal.

(male,bornin1969,engineer,TechnicalCenterofQiqiharRailwayCar(Group)Co.,Ltd.ofChinaBeicheGroup,Qiqihar161002,China)

Abstract:Thedevelopmentprocess,technicalparame2ters,structure,performancefeaturesoftheC32coalhoppercarareexpounded.Thetestingandoperationofthecararedescribed.

Keywords:hoppercar;structure;test;operationBriefDescriptionoftheContainerFlatCar

ExportedtoPakistan

PANShu2ping

(male,bornin1969,graduatestudentformasterde2greeofengineering,MechanicalandElectronicControlEn2gineeringInstituteofBeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)

Abstract:Describedinthispaperarethestructurefeatures,maintechnicalparametersandtestingofthecon2tainerflatcarexportedtoPakistan.

K

eywords:flatcar;structure;testDiscussionoftheDefinition,

AffectingFactorsandMeasurementMethods

oftheBrakingAdhesionCoefficient

WANGGuang2kai,etal.

(male,bornin1975,assistantengineer,Pro2ductDe2velopmentDepartmentofSifangRollingStockResearchIn2stituteofChinaBeicheGroup,Qingdao266031,China)

Abstract:Theseveralnamesofthebrakingadhesioncoefficientareexplained.Thefactorsaffectingthebrakingadhesioncoefficientareanalyzed.Inconnectionwiththeac2tualconditions,themeasurementmethodsofthebrakingad2hesioncoefficientarediscussed.

Keywords:adhesioncoefficient;affectingfactor;

范文九:个人总结的铝合金压铸件结构设计方法 投稿:侯祝神

铝合金压铸件的结构设计经验

钢铁零件在含有磷酸溶液中进行化学处理,使钢铁表面生成一层难溶于水的保护膜的过程,叫做磷化处理!

它主要有以下特点:

1、磷化膜表面呈灰色或暗灰色。

2、磷化膜经填充、上油或涂漆处理,在大气条件下具有较好的抗腐蚀能力。

3、膜层的吸附能力强,常作为涂料的底层。

4、磷化膜具有较高的电绝缘性。

5、经磷化处理后,原金属的机械性能、强度、磁性等基本不变。

6、磷化膜有很好的润滑性能。

7、渗氮零件表面可以用磷化膜保护。

8、磷化膜的最大特点是能在钢铁的内表面及形状复杂的钢铁表面上获得保护膜。

9、膜层硬度和机械强度底,有一定的脆性。

钝化一般是指:为了提高镀锌层的防护性能和装饰性能,将镀件防入溶液中处理,使其表面形成一层化学稳定性较高的膜。经钝化处理后能提高镀锌层的防护性能和表面光泽。

氧化一般分为:铝、铝合金和钢铁零件的氧化,只是所能达到的目的和所使用的溶液不同

1。考虑壁厚的问题,厚度的差距过大会对填充带来影响 ——一般浇口部分的肉厚要大于零件的平均肉厚,目的是减少多铝液的压力损失。

7。再有就是注意选料了,是用ADC12还是A380等,要看具体的要求了——销往法国的铝压铸件,如果有FDA的要求,就不能用ADC-12,须用ADC-3T代替。

在模具方面,压铸模具一般是不允许靠破的。

再补充点

如果有字模具或雕刻内容。需要远离浇口,防止过早冲刷磨损。

对多出需要去毛边的零件,特别是内框型,需要加开一道五金冲裁模具冲毛边。

1。考虑壁厚的问题,厚度的差距过大会对填充带来影响

2。考虑脱模问题,这点在压铸实际中非常重要,现实中往往回出现这样的问题,这比注塑脱模讨厌多了,所以拔模斜度的设置和动定模脱模力的计算要注意些,一 般拔模斜度为1到3度,通常考虑到脱模的顺利性,外拔模要比内拔模的斜度要小些,外拔模也就1度,而内拔模要2~3度左右

3。设计时考虑到模具设计的问题,如果有多个位置的抽心位,尽量的放两边,最好不要放在下位抽心,这样时间长了下抽心会容易出问题

4。有些压铸件外观可能会有特殊的要求,如喷油、喷粉等,这时就要时结构避开重要外观位置便于设置浇口溢流槽

5。在结构上尽量的避免出现导致模具结构复杂的结构出现,如,不得不使用多个抽心或螺旋抽心等

6。对于需进行表面加工的零件,注意,需要在零件设计时给适合的加工留量,不能太多,否则加工人员会骂你的,而且会把里面的气孔都暴露出来的,不能太少, 否则粗精定位一加工,得,黑皮还没干掉,你就等再在模具上打火花了,那给多少呢,留量最好不要大于0。8mm,这样加工出来的面基本看不到气孔的,因为有 硬质层的保护。

7。再有就是注意选料了,是用ADC12还是A380等,要看具体的要求了

8。铝合金没有弹性,要做扣位只有和塑料配合。

9。一般不能做深孔!在开模具时只做点孔,然后在后加工!

10。如果是薄壁零件与不能太薄,而且一定要用加强肋,增加抗弯能力!由于铝铸件的温度要在800摄氏度左右!模具寿命一般比较短一般做如电机外壳的话只有80K左右就再见了!

1.压铸件的设计与塑胶件的设计比较相似,塑胶件的一些设计常规也适用于压铸件。

2.对于铝合金,模具所受温度和压力比塑胶的大很多,对设计的正确性要求特严。即使很好的模具材料,一旦有焊接,模具就几乎无寿命可言。锌合金跟塑胶差不多,模具寿命较好。

3.不能有凹的尖角,避免模具崩角。

4.压铸件的精度虽然比较高,但比塑胶差,而且拔模力比塑胶大,通常结构不能太复杂,必要时应将复杂的零件分解成两件或多件。

5.铝合金的螺孔通常模具只做锥坑,采用后加工。对于要求严的配合部位通常留 0.3mm的后加工量。

6.铝合金压铸易产生气孔,在外观上需加以考虑。

铝合金压铸件(含硅)表面做阳极氧化很难的,一般时间稍长回出现黑色。

铝合金压铸件不能做阳极氧化,可用喷油或喷塑。

常用的合金铝6061、7075,铸铝A356着色效果都不错的。

压铸件和阳极氧化之间没有必然的联系。

铸铝的种类很多,不一定要选硅铝合金(铸铝分Al-Si系、AL-Cu系、AL-Mg系、AL-Zn系等,还有参杂稀土元素的)。即使选用硅铝合金,阳极 氧化也并非不可行。一般来说,合金铝中多多少少都含硅元素,比如6061含硅0.4~0.8%,7075含硅0.4%,这样的含硅量对合金阳极化影响是很 小的(顺便说一句,铜含量对铝合金阳极氧化影响不大,但在硬质氧化、瓷质氧化时,铜、锰影响很大)。但当合金中硅含量很大(>7%)时,对 合金的阳极氧化就会有影响。主要体现在氧化耗时较长,膜层显得灰暗等,这些问题通过工艺可以解决(比如不用直流、而用脉冲电流氧化),这就需要表面处理厂 家有一定的技术能力。所以,铸铝≠硅铝合金≠不能阳极氧化。

另外再说说着色的问题。铝合金的阳极氧化和着色是两个不同的工序,这与钢铁的发蓝不同。钢铁发蓝是氧化膜本身呈蓝色,而着色是在阳极氧化后立即进行,氧化 膜本身是无色透明的。铝合金用硫酸阳极化得到的氧化膜最适宜染色,现在比较多的使用有机染料着色,着色后再对氧化膜进行封闭处理。另外也有用重金属盐电解 着色的,但要按楼主的要求染成红色比较困难!

范文十:个人总结的铝合金压铸件结构设计方法 投稿:郑拨择

铝合金压铸件的结构设计经验

钢铁零件在含有磷酸溶液中进行化学处理,使钢铁表面生成一层难溶于水的保护膜的过程,叫做磷化处理!

它主要有以下特点:

1、磷化膜表面呈灰色或暗灰色。

2、磷化膜经填充、上油或涂漆处理,在大气条件下具有较好的抗腐蚀能力。

3、膜层的吸附能力强,常作为涂料的底层。

4、磷化膜具有较高的电绝缘性。

5、经磷化处理后,原金属的机械性能、强度、磁性等基本不变。

6、磷化膜有很好的润滑性能。

7、渗氮零件表面可以用磷化膜保护。

8、磷化膜的最大特点是能在钢铁的内表面及形状复杂的钢铁表面上获得保护膜。

9、膜层硬度和机械强度底,有一定的脆性。

钝化一般是指:为了提高镀锌层的防护性能和装饰性能,将镀件防入溶液中处理,使其表面形成一层化学稳定性较高的膜。经钝化处理后能提高镀锌层的防护性能和表面光泽。

氧化一般分为:铝、铝合金和钢铁零件的氧化,只是所能达到的目的和所使用的溶液不同

1。考虑壁厚的问题,厚度的差距过大会对填充带来影响 ——一般浇口部分的肉厚要大于零件的平均肉厚,目的是减少多铝液的压力损失。

7。再有就是注意选料了,是用ADC12还是A380等,要看具体的要求了——销往法国的铝压铸件,如果有FDA的要求,就不能用ADC-12,须用ADC-3T代替。

在模具方面,压铸模具一般是不允许靠破的。

再补充点

如果有字模具或雕刻内容。需要远离浇口,防止过早冲刷磨损。

对多出需要去毛边的零件,特别是内框型,需要加开一道五金冲裁模具冲毛边。

1。考虑壁厚的问题,厚度的差距过大会对填充带来影响

2。考虑脱模问题,这点在压铸实际中非常重要,现实中往往回出现这样的问题,这比注塑脱模讨厌多了,所以拔模斜度的设置和动定模脱模力的计算要注意些,一 般拔模斜度为1到3度,通常考虑到脱模的顺利性,外拔模要比内拔模的斜度要小些,外拔模也就1度,而内拔模要2~3度左右

3。设计时考虑到模具设计的问题,如果有多个位置的抽心位,尽量的放两边,最好不要放在下位抽心,这样时间长了下抽心会容易出问题

4。有些压铸件外观可能会有特殊的要求,如喷油、喷粉等,这时就要时结构避开重要外观位置便于设置浇口溢流槽

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