雙層景觀鋼桁梁橋整體節(jié)點受力性能分析

陳劉明，唐冕，張凡

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；2. 通號貴州置業(yè)有限公司，貴州 貴陽 550004)

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雙層景觀鋼桁梁橋整體節(jié)點受力性能分析

陳劉明1，唐冕1，張凡2

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；2. 通號貴州置業(yè)有限公司，貴州 貴陽 550004)

摘要:結(jié)合工程實例，比較螺栓連接和焊接2種不同的連接方式、并精細(xì)模擬焊接過程、分析焊接殘余應(yīng)力、研究拼接板及節(jié)點板的形狀等構(gòu)造細(xì)節(jié)對節(jié)點應(yīng)力的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：焊縫上縱向殘余拉應(yīng)力較大、分布規(guī)律較明顯；橫向殘余應(yīng)力受其他焊縫影響較大，分布無規(guī)律；焊縫平行方向的縱向殘余應(yīng)力基本保持不變、其垂直方向的橫向殘余應(yīng)力出現(xiàn)馬鞍型峰值；節(jié)點連接方式對節(jié)點應(yīng)力分布的影響不顯著；采用弧形過渡的節(jié)點板可以顯著降低節(jié)點連接處的應(yīng)力集中。

關(guān)鍵詞：整體節(jié)點；螺栓連接；焊接；應(yīng)力狀態(tài)；殘余應(yīng)力

雙層鋼桁梁橋的整體節(jié)點聯(lián)結(jié)桿件眾多，節(jié)點構(gòu)造及受力狀態(tài)非常復(fù)雜，國內(nèi)外沒有專門的設(shè)計規(guī)范。目前，對于大跨度公鐵兩用橋的整體節(jié)點研究較多，如蕪湖長江大橋整體節(jié)點的模型的ANSYS分析[1]、鄭州黃公鐵兩用大橋斜邊主桁下弦整體節(jié)點空間有限元模型[2]等，主要集中在整體節(jié)點的靜力特性[2]、疲勞性能[3-4]和焊接性能[5]等主要問題。國內(nèi)外對于中小跨徑城市景觀雙層桁梁的研究較少，并且由于試驗?zāi)Ｐ椭谱鞯馁M用等條件的限制，研究僅對具體的單個節(jié)點或節(jié)點的細(xì)節(jié)，而在整體節(jié)點與周圍桿件采用的連接方式方面，未做探討；同時對鋼桁梁整體節(jié)點焊接分析方面的研究，通常只限于對節(jié)點的最終殘余應(yīng)力、應(yīng)變的分析[6]，對于整體節(jié)點的焊接過程及焊接結(jié)果的詳細(xì)分析也鮮有涉及。在此，本文結(jié)合工程實例，比較2種節(jié)點連接方式—部分栓接和全部焊接的節(jié)點模型。對節(jié)點的復(fù)雜內(nèi)力情況下多個部位的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析和比較，得出節(jié)點形式對面板、拼接板等多個位置的應(yīng)力分布規(guī)律。進(jìn)行節(jié)點焊接的殘余應(yīng)力分析。采用簡化計算模型，運用熱彈塑性有限元方法，精細(xì)模擬焊接過程，分析焊接過程的應(yīng)力場變化，并探討該節(jié)點的焊接殘余應(yīng)力規(guī)律及預(yù)防措施，為同類型節(jié)點的設(shè)計和施工提供參考。

1工程背景

貴陽市南明河景觀光電車1號橋為計算跨徑56 m的雙層鋼桁梁，下層過電車觀光及行人，橋面總寬度為20 m，上層為人行天橋，橋面寬度為12 m。鋼桁梁橋的上、中、下弦桿均采用箱形截面，除支座處采用箱型截面外其余腹桿均采用工字型截面。主桁高度14 m，寬12 m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間長度5.6 m，在每節(jié)間處設(shè)置一道橫聯(lián)。橋型布置如圖1所示。在設(shè)計之初，整體節(jié)點和桿件的連接部分采用高強螺栓連接，但后來由于景觀設(shè)計及工期等特殊要求全部改為焊接。因此，本文主要比較分析栓接和焊接這2種不同的連接方式對節(jié)點受力性能的影響。

圖1　鋼桁梁橋布置圖Fig.1 Arrangement plan of steel truss bridge

2精細(xì)化的有限元模型

2.1全橋模型

采用大型通用有限元分析軟件Midas Civil建立全橋的空間有限元模型。主桁各桿件、橋面系縱橫梁、平縱聯(lián)等桿件全部采用梁單元模擬，整體模型共計2 167個單元，1 668個節(jié)點。全橋的空間有限元模型見圖2。

圖2　全橋有限元模型Fig.2 FEM of bridge

2.2節(jié)點模型

本文所選取的節(jié)點為靠近支座位置的中間弦桿節(jié)點(圖2中圓圈所示)，該節(jié)點(以下簡稱ZM1節(jié)點)連接中弦桿、中橫梁、及受力較大的端斜桿和端豎桿交叉的位置，節(jié)點構(gòu)造和受力狀態(tài)均比較復(fù)雜，采用Ansys軟件對處節(jié)點進(jìn)行詳細(xì)的模型分析。節(jié)點有限元模型如圖3所示。

(a)形式1：整體節(jié)點，各肢與節(jié)點栓接；(b)形式2：整體節(jié)點，各肢與節(jié)點焊接圖3　2種節(jié)點的有限元模型Fig.3 Two finite models of nodes

根據(jù)Midas模型計算結(jié)果，提取恒載+活載組合最小工況(以下稱工況1)，提取的內(nèi)力值見表1。

表1　恒載+活載工況下各桿內(nèi)力值

注：*表中的恒載+活載，已經(jīng)考慮風(fēng)荷載和火車制動力。

2.3有限元網(wǎng)格精度

劃分有限元網(wǎng)格時，對于一般的實體結(jié)構(gòu)可以采用大尺寸自動劃分，但對于整體結(jié)點板、焊縫、螺栓孔等位置由于尺寸變化及溫度場等因素影響，需要進(jìn)行精細(xì)的有限元網(wǎng)格劃分。為了選擇合適的網(wǎng)格精度，對工況1的節(jié)點形式2的面板焊縫附近的單元尺寸大小分別取1.8～10 mm，計算結(jié)果如表2所示。

表2　單元網(wǎng)格精度對結(jié)果的影響

由表2可知，在一定范圍內(nèi)應(yīng)力結(jié)果隨單元大小基本穩(wěn)定，但當(dāng)單元尺寸過小時，最大應(yīng)力值有突然增大趨勢，主要是由于殼單元在集中力作用下較易出現(xiàn)應(yīng)力集中，尤其是在殼單元對接的位置更容易出現(xiàn)畸變應(yīng)力，另外所需計算內(nèi)存也成倍增加。因此，在比較同類型工程實例[10-11]的條件下，結(jié)合表2的計算結(jié)果，面板的單元大小取ESIZE=0.032 m，隔板單元取ESIZE=0.04 m，拼接板與其他過渡的細(xì)節(jié)處取ESIZE=0.02 m。

3連接方式的比較

3.1螺栓連接

螺栓連接的優(yōu)點在于施工工藝簡單，安裝方便，適用于工地安裝連接，能更好地保證工程進(jìn)度和質(zhì)量。缺點是因開孔對構(gòu)件截面會產(chǎn)生一定的削弱，且被連接的構(gòu)件需要相互搭接或另加拼接板、角鋼等連接件，從而相對耗材比較多，構(gòu)造頻繁。計算螺栓連接的節(jié)點在工況1下的應(yīng)力結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，在螺栓連接的栓孔處應(yīng)力集中；等效應(yīng)力最大值出現(xiàn)在最外排靠近連接縫的螺栓處，最小值出現(xiàn)在橫梁中心。

圖4　結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖Fig.4 Stress diagram of the structure

圖5　結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖Fig.5 Stress diagram of the structure

3.2焊接

焊接的優(yōu)點在于任何形式的構(gòu)件一般都可直接相連，不會削弱構(gòu)建截面。缺點是焊縫附近的鋼材，在高溫作用下形成熱影響區(qū)，導(dǎo)致材質(zhì)局部變脆，焊接過程中鋼材由于受到不均勻的加溫和冷卻，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力和殘余變形，也使鋼材的剛度受到影響。

計算焊接的節(jié)點在工況1下的應(yīng)力結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，在倒角處和腹板與面板相接處出現(xiàn)較多應(yīng)力集中；等效應(yīng)力最大值位于端斜桿與面板相接處，最小值出現(xiàn)在橫梁中心。

本文基于熱彈塑性理論，應(yīng)用Ansys軟件對焊接過程進(jìn)行仿真模擬。在有限元建模時，利用構(gòu)件的對稱性來簡化。因此，取桁梁全焊節(jié)點的主要部位的1/4結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度場和應(yīng)力場的模擬分析。采用如圖6所示的結(jié)構(gòu)計算，模型共包括1塊節(jié)點面板和4塊各肢的襯板，共計4條焊縫，編號為W1-W4，焊縫的長度與襯板長度相同。

(a)節(jié)點全結(jié)構(gòu)模型；(b)1/4結(jié)構(gòu)模型圖6　結(jié)構(gòu)的FEM模型Fig.6 FEM model of the structure

3.3焊接殘余應(yīng)力

由于焊接時的不均勻溫度場，材料會產(chǎn)生塑性變形和相變應(yīng)變，剛才冷卻后殘存于焊件的應(yīng)力稱為焊接殘余應(yīng)力，且由于焊接過程中材料的不均勻變化，結(jié)構(gòu)還會產(chǎn)生殘余變形[7]。

根據(jù)焊接殘余應(yīng)力的方向及分布情況，殘余應(yīng)力的主要形式有：縱向殘余應(yīng)力，橫向殘余應(yīng)力和沿厚度方向的殘余應(yīng)力。厚度方向的殘余應(yīng)力一般只在厚板焊接結(jié)構(gòu)中才出現(xiàn)較高的值，在薄板中數(shù)值一般較小[8-10]，可以忽略。本文節(jié)點中焊接所用的材料厚度相對于長寬都很小，結(jié)構(gòu)采用殼單元計算，厚度方向上的焊接殘余應(yīng)力相對較小，殘余應(yīng)力主要出現(xiàn)在X軸和Y軸方向，即應(yīng)力呈平面應(yīng)力狀態(tài)，因此主要分析節(jié)點平面應(yīng)力狀態(tài)。

分別沿W1和W22條焊縫設(shè)置2條路徑，定為P1和P2，垂直于W1方向設(shè)置路徑P3，垂直于W2方向設(shè)置路徑P4，焊接殘余應(yīng)力的云圖如圖7所示。提取路徑上縱向應(yīng)力值σx和橫向應(yīng)力值σy，繪制殘余應(yīng)力曲線，設(shè)置的分析路徑及獲得的殘余應(yīng)力見圖8～9所示。

單位：mm圖8　殘余應(yīng)力分析路徑Fig.8 Path analysis of residual stress

由圖9可知：焊縫上的縱向殘余應(yīng)力大部分為拉應(yīng)力，在焊縫端部快速減小為壓應(yīng)力，中間大兩端小。橫向應(yīng)力受到其他焊縫焊接的影響，呈現(xiàn)較大的波動，呈兩端大中間小；在焊縫附近的殘余應(yīng)力，縱向應(yīng)力基本保持不變，橫向應(yīng)力在焊縫位置處迅速增大，出現(xiàn)峰值。

4構(gòu)造細(xì)節(jié)研究

4.1拼接板

(a)路徑P1；(b)路徑P2；(c)路徑P3；(d)路徑P4圖9　焊縫殘余應(yīng)力Fig.9 Weld residual stress

單位：MPa(a) 外側(cè)；(b) 內(nèi)側(cè)圖10　拼接板的應(yīng)力Fig.10 Stress of the splice plate

由于2種形式對節(jié)點性能的影響不大，但采用螺栓連接的方式可以避免節(jié)點內(nèi)部焊縫過多過密，螺栓連接中的拼接板應(yīng)力見圖10。

從圖10可以看出，相同位置拼接板外側(cè)和內(nèi)側(cè)的應(yīng)力值基本相等，分布規(guī)律亦相一致。下面詳細(xì)分析分別承受最大軸向拉力、壓力的兩根斜桿的拼接板。

在Ansys結(jié)果中，分別沿拼接板的縱向和橫向定義6條路徑path-1～path-6如圖11～12所示，繪制應(yīng)力曲線圖如圖13～14所示。與壓桿拼接板相似，其中V1～V3分別為path1～ path3的平均值。

單位：mm

單位：mm

(a)橫向分布；(b)縱向分布圖13　壓桿拼接板的應(yīng)力Fig.13 Stress of the compressed splice plate

(a)橫向分布；(b)縱向分布圖14　拉桿拼接板的壓力Fig.14 Stress of the stretched splice plate

通過比較可知：拼接板受拉和受壓狀態(tài)下的應(yīng)力分布基本相同；拼接板應(yīng)力在橫向上呈波浪形分布；拼接板應(yīng)力在縱向的分布，栓群中心較大，往兩端逐漸減小。

4.2面板設(shè)計優(yōu)化

節(jié)點面板是受力和構(gòu)造最復(fù)雜的板件之一，在面板法線方向設(shè)置的眾多板件與其連接處，是結(jié)構(gòu)最易出現(xiàn)應(yīng)力集中的位置。因此在制作板件時，這些位置通常需要設(shè)置構(gòu)造優(yōu)化的措施，常用的方法就是將這些位置設(shè)置圓弧形狀的過渡，且參照文獻(xiàn)[11]等，本文以全焊接型節(jié)點討論局部的構(gòu)造優(yōu)化措施對節(jié)點受力性能的影響，如圖15所示。

(a)不設(shè)置過渡的全焊節(jié)點；(b)設(shè)置過渡的全焊節(jié)點圖15　構(gòu)造細(xì)節(jié)優(yōu)化對比Fig.15 Comparison of Structural details optimization

通過對比可知：未優(yōu)化的節(jié)點面板最大應(yīng)力值較設(shè)置圓弧過渡的節(jié)點面板最大應(yīng)力值更大。因此，設(shè)置合適的連接構(gòu)造措施，可以較好優(yōu)化節(jié)點的受力狀態(tài)。

5結(jié)論

1)在焊縫上的縱向殘余應(yīng)力，大部分表現(xiàn)為拉應(yīng)力，在焊縫端部快速減小為壓應(yīng)力。橫向殘余應(yīng)力值基本都呈兩端大中間小的分布規(guī)律，但焊縫由于相互影響，橫向應(yīng)力受其他焊縫影響較大，分布規(guī)律不明顯。

2)在焊縫附近的殘余應(yīng)力，平行焊縫方向的縱向應(yīng)力基本保持不變，垂直焊縫方向的橫向應(yīng)力，靠近焊縫位置迅速增大并接近屈服，出現(xiàn)峰值。

3)通過全結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的分析，結(jié)合節(jié)點的應(yīng)力云圖，表明2種形式的節(jié)點應(yīng)力分布的規(guī)律基本一致。說明節(jié)點連接形式對節(jié)點內(nèi)應(yīng)力分布影響不顯著。

4)采用弧形過渡的構(gòu)造措施，可以顯著降低節(jié)點連接處的應(yīng)力集中。

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(編輯陽麗霞)

Analysis on integral joint's force performance ofdouble-layer landscape steel truss bridge

CHEN Liuming1，TANG Mian1，ZHANG Fan2

(1. College of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China；2. CRSR, Guizhou Real Estate CO．,Ltd, Guiyang 550004, China)

Abstract:Based on an engineering example, the stress state of two kinds of different connecting modes were compared. Through simulating the welding process, the residual stress of welding was analyzed and the influence of different shape node splice plates and other structural details on the node stress were studied. The analysis results show that longitudinal weld residual tensile stress is large and distributes obviously .Transverse residual stresses are greatly influenced by other welds and distributed irregularly. In the vicinity of the weld, the longitudinal residual stress which is parallel to the direction of weld remains basically unchanged and the transverse residual stress perpendicular to the direction of weld appears with a size of saddle peak, and the node connection form has no significant impact on the internal stress distribution of nodes. Structural measures using arc transition can significantly reduce the stress concentration at the node connection.

Key words:integral node; bolt connection; welding; stress state; residual stress

中圖分類號：TU391

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)03-0480-08

通訊作者：唐冕(1970-)，女，遼寧開原人，副教授，博士，從事大跨復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計理論研究；E-mail: Tangmian513@163.com

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51178471)

收稿日期：2015-07-02