連續(xù)鋼桁架橋結(jié)構(gòu)整體節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分析

張朝斌　杜鑫

摘要： 近幾十年來，隨著鋼桁架橋跨度的增大以及焊接技術(shù)的成熟，整體節(jié)點(diǎn)開始在鋼桁架橋中廣泛應(yīng)用。隨著鋼桁架橋的普及，這類橋梁的整體節(jié)點(diǎn)分析逐漸成為了設(shè)計(jì)人員關(guān)心重視的問題。本文以上莘大橋?yàn)楣こ瘫尘?，基于ANSYS有限元軟件對(duì)該橋的整體節(jié)點(diǎn)應(yīng)力進(jìn)行了分析，得出了在最不利工況下整體節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布云圖，從而證明了整體節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)的合理性，并對(duì)整體節(jié)點(diǎn)性能給出總的評(píng)價(jià)。分析結(jié)果為今后鋼桁架橋的研究與合理設(shè)計(jì)提供了相關(guān)的參考數(shù)據(jù)。

Abstract： In recent decades， along with the increase of steel truss bridge span and the develop-ment of welding technology， the integral joint began to widely used in steel truss bridge. With the popularization of steel truss bridge， analysis of the integral joint of this kind of bridge has gradually become the designers of the attention problem. In this paper， the Shangshen bridge as the engineer-ing background， based on the finite element sofeware ANSYS the integral joint stress of the bridge are analyzed， obtained in the most unfavorable condition of integral joint stress distribution nephogr-am， which proved that the rationality of the integral joint structural design， and give the total evalua-tion of the integral joint performance. The analysis results provide reference data for research and reasonable design of steel truss bridge in future.

關(guān)鍵詞： 鋼桁架橋；整體節(jié)點(diǎn)；有限元法；應(yīng)力分析

Key words： steel truss bridge；integral joint；finite element method；stress analysis

中圖分類號(hào)：U441 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）07-0113-05

0 引言

鋼桁架整體節(jié)點(diǎn)利用焊接一改從前利用大量螺栓連接鋼梁的做法，使鋼梁加工實(shí)現(xiàn)了工廠化，現(xiàn)場(chǎng)拼裝經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單，節(jié)省了現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)空間，使工地環(huán)境得到了改善，因此這種鋼梁結(jié)構(gòu)和加工方法在橋梁施工領(lǐng)域廣受好評(píng)。橋梁結(jié)構(gòu)由許多個(gè)功能各異的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，大部分節(jié)點(diǎn)都是焊接在一起，連接處有焊縫，應(yīng)力分布不均衡，整體構(gòu)造十分復(fù)雜。但是對(duì)于整體節(jié)點(diǎn)的處理，目前橋梁制造領(lǐng)域尚無合理合法的技術(shù)規(guī)范可供參考，為了驗(yàn)證橋梁連接節(jié)點(diǎn)的合理性，有必要深入研究鋼橋整體節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，掌握其應(yīng)力分布特點(diǎn)，以期形成一套能夠控制節(jié)點(diǎn)整體質(zhì)量的有效方案。

1 工程概況

上莘大橋是長(zhǎng)興縣經(jīng)四路南延工程上跨長(zhǎng)興港的一座南北向半穿式連續(xù)鋼桁架橋，全長(zhǎng)224m，其跨徑布置為（62+100+62）m。橋面寬30 m，橫斷面布置為2×0.25 m（欄桿）+2×1.75 m（人行道）+2×3 m（非機(jī)動(dòng)車道）+2×2 m（隔離帶）+2×8 m（機(jī)動(dòng)車道）。圖1為大橋的主體結(jié)構(gòu)。上莘大橋采用Q345qD級(jí)鋼材拼橋體結(jié)構(gòu)，用M24高強(qiáng)螺栓連接各構(gòu)件，橋體設(shè)計(jì)荷載為城-A級(jí)，人群荷載按3.5kN/m2進(jìn)行計(jì)算。

主桁采用無豎桿的華倫式三角形腹桿體系，并采用剛性較大的整體節(jié)點(diǎn)主椼、下平縱聯(lián)、橫撐及橋門架為桿系結(jié)構(gòu)，采用組合式節(jié)點(diǎn)板作為支撐平臺(tái)。主桁中心距為18.08m。兩片桁架相距較遠(yuǎn)，因而整座橋體全部設(shè)置雙X形下平聯(lián)。橫撐、橋門架、上平聯(lián)一律按設(shè)計(jì)圖安裝在桁架中墩相應(yīng)的部位上。為了抵御橫向風(fēng)力，同時(shí)防止弦桿變形產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，下平聯(lián)的節(jié)點(diǎn)部位應(yīng)該連接下弦桿。

由于結(jié)構(gòu)與載荷的對(duì)稱性，本文只針對(duì)該橋梁應(yīng)力分布最為復(fù)雜的下弦桿X7、上弦桿S7節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，各桿件編號(hào)如圖2。

2 空間有限元分析計(jì)算模型[1～4]

計(jì)算模型采用ANSYS對(duì)整體節(jié)點(diǎn)進(jìn)行局部應(yīng)力分析。圖3、圖4分別為下弦桿X7、上弦桿S7節(jié)點(diǎn)的計(jì)算模型的邊界及載荷條件。根據(jù)圣維南原理，有限元分析會(huì)影響支承點(diǎn)和載荷分布，導(dǎo)致其局部應(yīng)力不均衡，為了規(guī)避這一影響因素，保證整體節(jié)點(diǎn)局部分析的準(zhǔn)確性，整體節(jié)點(diǎn)兩端分別取大于500mm的弦桿與整體節(jié)點(diǎn)進(jìn)行綜合分析。用拼接鋼板將整體節(jié)點(diǎn)和弦桿焊接起來，再借助高強(qiáng)螺栓與腹桿連接。由于高強(qiáng)螺栓以摩擦傳力進(jìn)行聯(lián)結(jié)，因而在分析計(jì)算時(shí)計(jì)算模型按剛接形式進(jìn)行模擬，利用Midas/Civil有限元軟件對(duì)加載桁架進(jìn)行整體受力分析，并得出在最不利工況下各截面上的軸力和彎矩。為了提高有限元模型分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，將集中力及集中力偶轉(zhuǎn)化成所需的應(yīng)力荷載，使之作用于對(duì)應(yīng)的面上，以降低某些單元在集中力的影響下出現(xiàn)應(yīng)力奇異現(xiàn)象。

為了能夠真實(shí)反映整體節(jié)點(diǎn)的局部受力狀態(tài)，計(jì)算模型按照整體節(jié)點(diǎn)及各桿件的實(shí)際尺寸進(jìn)行建立，并包含整體節(jié)點(diǎn)連接的各個(gè)桿件、隔板和加勁肋等構(gòu)件。考慮到板厚效應(yīng)，擬用三維實(shí)體單元和四面體實(shí)體單元solid45來模擬分析該計(jì)算模型。另外，為了盡快得到更精準(zhǔn)的分析結(jié)果，在輔助的弦桿、腹桿上單元設(shè)置較稀疏的網(wǎng)格，在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)各部位設(shè)置較密集的網(wǎng)格，借助Refine細(xì)化危險(xiǎn)的位置，最終能得到一個(gè)更精準(zhǔn)的分析結(jié)果。考慮到所加載荷均為平衡力系，本文下弦桿X7節(jié)點(diǎn)取約束支承處的所有節(jié)點(diǎn)的平動(dòng)自由度作為幾何邊界條件，而上弦桿S7腹桿節(jié)點(diǎn)自由端中心部位全截面加固結(jié)約束。劃分網(wǎng)格并加載后的模型如圖5～6所示。

3 節(jié)點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算與結(jié)果分析

從計(jì)算結(jié)果可以看出，圓弧處、厚薄對(duì)接以及構(gòu)件對(duì)接的位置存在局部應(yīng)力集中的現(xiàn)象，如應(yīng)力集中點(diǎn)在節(jié)點(diǎn)兩側(cè)圓弧部位；其次在弦桿與下平板、內(nèi)側(cè)隔板和加勁肋與弦桿豎板等幾個(gè)厚薄對(duì)接位置；腹桿與弦桿對(duì)接等位置均為應(yīng)力集中點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)時(shí)需多加注意。下面對(duì)上述的應(yīng)力集中點(diǎn)位置進(jìn)行相應(yīng)地分析。

3.1 節(jié)點(diǎn)兩側(cè)圓弧部位應(yīng)力分析

根據(jù)分析結(jié)果得知，圓弧處應(yīng)力集中現(xiàn)象最嚴(yán)重，X7節(jié)點(diǎn)最大VonMises等價(jià)應(yīng)力為114MPa（如圖7），S7節(jié)點(diǎn)最大VonMises等價(jià)應(yīng)力為94.2MPa（如圖8）。計(jì)算值偏大的原因可能是距離圓弧較近的貼角焊縫也存在應(yīng)力集中的問題，如果不及時(shí)補(bǔ)救，就可能發(fā)展成微觀裂縫，高強(qiáng)鋼材極易出現(xiàn)這一現(xiàn)象。為了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，必須采取措施治理應(yīng)力集中的問題。一般來講，我們主要通過有限元模型計(jì)算所得的最大軸向應(yīng)力值？滓xmax和弦桿設(shè)計(jì)應(yīng)力值？滓x0的比值α來判斷是否存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象。關(guān)于單面突出的節(jié)點(diǎn)板的圓弧處應(yīng)力集中現(xiàn)象，西田正孝[5]等學(xué)者已通過光彈分析得到了準(zhǔn)確的應(yīng)力集中系數(shù)。如圖9所示，利用光彈試驗(yàn)對(duì)兩面突出部的板的盈利集中現(xiàn)象進(jìn)行分析，給該板施加拉應(yīng)力，得到圖10（a）和（b）所示的該節(jié)點(diǎn)板在承受拉應(yīng)力時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力集中系數(shù)kP及彎矩作用下的應(yīng)力集中系數(shù)kM。如果是局部突出部的板，施加拉應(yīng)力，所得到的應(yīng)力集中系數(shù)則小于圖10所示的應(yīng)力集中系數(shù)，此時(shí)可從圖11查出其折減系數(shù)k。

在上式中，P為作用于弦桿端部的軸向力，M為用于弦桿端部的彎矩。如果是桁架橋的二次應(yīng)力較小，第2項(xiàng)就可忽略不計(jì)。

在結(jié)構(gòu)模型計(jì)算過程中，節(jié)點(diǎn)板應(yīng)力集中的問題始終存在，應(yīng)該適當(dāng)增加節(jié)點(diǎn)處弦桿的板厚，同時(shí)在板的兩個(gè)側(cè)邊分別設(shè)一坡口焊縫焊接起來，或者在節(jié)點(diǎn)處設(shè)置弦桿工地接縫，另一邊設(shè)坡口焊縫，這樣也能調(diào)整節(jié)點(diǎn)板的厚度。通過焊接連接在一起的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，通常采用圖12中示出的三種方式。圖12（a）是弦桿應(yīng)力比較小、節(jié)點(diǎn)板材質(zhì)強(qiáng)度比弦桿高、板厚也比弦桿大時(shí)所采用的二分法，圖12（b）及（c）是弦桿應(yīng)力比較大，節(jié)點(diǎn)板板厚及材質(zhì)都不如弦桿時(shí)所采用的方法。但對(duì)圖12（b）來說，弦桿和節(jié)點(diǎn)板的結(jié)合部、特別是圓弧部應(yīng)力集中的地方，和焊縫收劇烈高溫的熱影響區(qū)想重合，這是它的缺點(diǎn)。所以圖12（c）是理想的連接方式。從分析結(jié)果來看，假設(shè)翼緣到焊接部的距離為h，令h≥250mm，就能有效規(guī)避焊接熱影響區(qū)與應(yīng)力集中部重合的問題。公路橋梁規(guī)范規(guī)定：當(dāng)受壓弦桿的腹板和節(jié)點(diǎn)板采用整體連接構(gòu)造時(shí)，圓弧的半徑rj不得小于腹板高度的1/5。危險(xiǎn)點(diǎn)放大后應(yīng)力分布云圖如7所示。

3.2 內(nèi)側(cè)節(jié)點(diǎn)板應(yīng)力分析

由于在內(nèi)側(cè)節(jié)點(diǎn)板上焊接有平聯(lián)節(jié)點(diǎn)板和橫梁連接板，以及節(jié)點(diǎn)板與腹桿連接處，其應(yīng)力分布十分復(fù)雜，而且應(yīng)力集中現(xiàn)象較嚴(yán)重的部位在平聯(lián)節(jié)點(diǎn)板兩端，因此可能對(duì)整體節(jié)點(diǎn)的連接質(zhì)量和穩(wěn)定性造成威脅。根據(jù)圖13所示的內(nèi)側(cè)節(jié)點(diǎn)板應(yīng)力分布情況不難看出，內(nèi)側(cè)節(jié)點(diǎn)板下方是危險(xiǎn)位置。除此以外，橫梁與內(nèi)側(cè)節(jié)點(diǎn)板連接處、節(jié)點(diǎn)板與腹桿連接處都存在不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，其最大VonMises應(yīng)力為151.0MPa。

該節(jié)點(diǎn)板剪應(yīng)力分布自下而上逐漸增大，而水平分布看上去像一個(gè)拋物線，而且圓弧處的應(yīng)力分布是反向的。圖14為剪應(yīng)力分布情況。

Carter，McCalley，Wyly，Whitmore根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究得出了關(guān)于節(jié)點(diǎn)板應(yīng)力分布的結(jié)論：相當(dāng)大的應(yīng)力集中 乃發(fā)生在腹桿端部的節(jié)點(diǎn)板截面內(nèi)。根據(jù)圖15可以看出，這一部位的應(yīng)力分布不均勻，應(yīng)力集中系數(shù)？滓max/？滓0≥2。由此，我們可以自節(jié)點(diǎn)板斜邊和腹板邊的夾角∠ACD作分角線，交斷面AA于兩E點(diǎn)（如圖16所示），將EE視為有效寬，并設(shè)在此有效寬范圍內(nèi)應(yīng)力均勻分布，就能通過計(jì)算得到腹桿連接錨拴群的頂端DD處的最大應(yīng)力值？滓max=P/Bet。

這種應(yīng)力集中現(xiàn)象一般會(huì)導(dǎo)致屈服現(xiàn)象提前發(fā)生，或者造成疲勞破壞、脆性破壞等不良后果。局部屈服對(duì)承載力的影響程度基本可以忽略不計(jì)。但是如果焊縫處出現(xiàn)應(yīng)力集中，就有可能導(dǎo)致脆性破壞。為避免出現(xiàn)不良后果，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，應(yīng)該讓這個(gè)應(yīng)力區(qū)遠(yuǎn)離焊縫。另外，應(yīng)力集中所引起的疲勞破壞對(duì)整體借點(diǎn)來說十分不利，應(yīng)該盡力避免這個(gè)問題。

3.3 等寬不等厚對(duì)接部位的應(yīng)力分析

在薄板與厚板對(duì)接部位都存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，由于篇幅原因，在此僅給出構(gòu)造復(fù)雜、應(yīng)力分布不規(guī)則的上（下）平板與隔板的應(yīng)力分布圖。如圖17～18所示，X7節(jié)點(diǎn)其最大VonMises應(yīng)力為151.0 MPa，S7節(jié)點(diǎn)其最大VonMises應(yīng)力為84.5MPa。

4 結(jié)論

本章通過對(duì)上莘大橋?qū)φw節(jié)點(diǎn)的局部應(yīng)力分析，初步掌握了整體節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布規(guī)律，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性，主要結(jié)論如下：

①節(jié)點(diǎn)集中各種構(gòu)造，受力較為復(fù)雜。內(nèi)側(cè)節(jié)點(diǎn)板由于焊接有平聯(lián)節(jié)點(diǎn)板和橫梁連接板以及腹桿，其應(yīng)力分布較外側(cè)節(jié)點(diǎn)板要復(fù)雜得多；平聯(lián)節(jié)點(diǎn)板兩端、對(duì)接焊縫、節(jié)點(diǎn)板兩端圓弧過渡段及等寬不等厚對(duì)接部位是應(yīng)力集中的主要部位，設(shè)計(jì)、制造、使用過程中需要重點(diǎn)注意。

②在平聯(lián)節(jié)點(diǎn)板兩端采用圓弧過渡、焊后沿圓弧受力方向打磨勻順并采用捶擊可以有效降低該部位的應(yīng)力集中，可以提高其疲勞性能，該部位從應(yīng)力分布圖可以看出有局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)予以重視。

③在節(jié)點(diǎn)板兩端圓弧過渡處，選擇合適的圓弧半徑并于焊后沿受力方向打磨，可以減小其應(yīng)力集中現(xiàn)象。

④不等厚對(duì)接焊縫處采用1：10斜坡過渡，焊后磨光，接頭能夠有效降低接頭處應(yīng)力集中系數(shù)。

⑤節(jié)點(diǎn)板剪應(yīng)力分布規(guī)律是：自下而上逐步增大，剪應(yīng)力較大的部位是節(jié)點(diǎn)板縱向?qū)ΨQ線的上部附近。

綜上所述，整體節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)受力較為復(fù)雜，能夠合理的處理構(gòu)造細(xì)節(jié)，并采用先進(jìn)的焊接與制造工藝，可以有效的提高其結(jié)構(gòu)性能。

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