節(jié)點(diǎn)疲勞試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目臻g有限元分析

周祖勇 劉 亮

(1．重慶市江北區(qū)城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)，重慶 400025;2．中鐵二十局，重慶 400074)

0 引言

對(duì)于大跨度鋼桁梁橋，節(jié)點(diǎn)疲勞破壞是最主要的破壞形式，因此，對(duì)朝天門長(zhǎng)江大橋進(jìn)行連接節(jié)點(diǎn)區(qū)域的疲勞性能的研究是十分重要的。在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)前，先進(jìn)行了試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠邢拊獢?shù)值模擬，掌握模型的應(yīng)力分布狀況和構(gòu)造細(xì)節(jié)處的應(yīng)力集中的重點(diǎn)區(qū)域，在試驗(yàn)過程中通過粘貼應(yīng)變片予以重點(diǎn)觀察，并將試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析，便于及時(shí)判斷結(jié)構(gòu)疲勞損傷。

1 三維有限元計(jì)算模型的建立

采用大型通用有限元分析軟件ABAQUS進(jìn)行節(jié)點(diǎn)疲勞試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目臻g有限元數(shù)值模擬，計(jì)算中不考慮螺栓的連接作用，將角鋼與橫梁、節(jié)點(diǎn)板固結(jié)在一起，單元類型全部為三維實(shí)體二階單元，并對(duì)橫梁與節(jié)點(diǎn)連接區(qū)域的網(wǎng)格加密一倍，模型各部采用相同的材質(zhì)，彈性模量為210 000 MPa、泊松比為0．3，約束模型兩端節(jié)點(diǎn)區(qū)域的底面和外側(cè)面，經(jīng)過計(jì)算分析，加載中心點(diǎn)位于距軌道橫梁跨中5．2m處的一側(cè)，如圖1所示，所加荷載由軌道橫梁與下層弦桿連接區(qū)域連接處的控制內(nèi)力幅換算得到，荷載的大小為213．5 kN。

圖1 模型立面圖

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膽?yīng)力計(jì)算結(jié)果

通過對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠邢拊治?，得到橫梁與節(jié)點(diǎn)連接處主要區(qū)域的應(yīng)力分布，如圖2所示。

圖2 角鋼連接區(qū)域應(yīng)力分布圖

根據(jù)三維有限元模擬計(jì)算可知:1)橫梁與節(jié)點(diǎn)相連的長(zhǎng)角鋼下端和橫梁上部的連接角鋼有明顯的應(yīng)力集中區(qū)域;2)橫梁腹板靠近角鋼連接區(qū)域的應(yīng)力明顯偏大;3)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜋M梁與節(jié)點(diǎn)連接區(qū)域的應(yīng)力水平不高。由此試驗(yàn)應(yīng)力的重點(diǎn)考察部位是橫梁端部區(qū)域、上部角鋼和長(zhǎng)角鋼下端區(qū)域。

通過應(yīng)力分布圖確定的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置的主要區(qū)域見圖3。

圖3 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖

模型試驗(yàn)通過重慶交通大學(xué)結(jié)構(gòu)工程實(shí)驗(yàn)室的五通道結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行加載。疲勞荷載的循環(huán)次數(shù)定為200萬次。為了考察試驗(yàn)中結(jié)構(gòu)的損傷情況，在疲勞試驗(yàn)前對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ头旨?jí)作0至疲勞荷載上限的靜力加載3次，得到主要控制測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化曲線。

3 計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析

表1給出了試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膽?yīng)力實(shí)測(cè)值和理論計(jì)算值對(duì)比。

從表1可知，理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的總體變化趨勢(shì)是大致相同的，除部分少量測(cè)點(diǎn)外，大多數(shù)測(cè)點(diǎn)都和理論值比較接近。在213．5 kN荷載作用下，模型測(cè)點(diǎn)的主拉應(yīng)力理論計(jì)算最大值在30 MPa左右，實(shí)測(cè)最大值在20 MPa左右;Von Mise應(yīng)力理論計(jì)算最大值在60 MPa左右，實(shí)測(cè)最大值在50 MPa左右，有一定差別，這是由于理論值是在理想狀態(tài)下計(jì)算而得的，而實(shí)測(cè)值因許多外界因素(如約束條件等)的影響不可避免部分偏離了理論計(jì)算值。

表1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膽?yīng)力實(shí)測(cè)值和理論計(jì)算值對(duì)比表

4 結(jié)語

通過有限元數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析和相互驗(yàn)證，說明試驗(yàn)數(shù)據(jù)是可靠的，計(jì)算結(jié)果是可信的。其結(jié)果能反映試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诮蛔兒奢d作用下的受力狀態(tài)，也間接反映了重慶朝天門長(zhǎng)江大橋下層車道橫梁與節(jié)點(diǎn)連接區(qū)域的實(shí)際受力狀態(tài)。試驗(yàn)與計(jì)算分析表明:重慶朝天門長(zhǎng)江大橋下層車道橫梁與節(jié)點(diǎn)連接區(qū)域的設(shè)計(jì)和運(yùn)行是安全的。

［1］ABAQUSDocu mentation Version 6．5［Z］．

［2］莊 茁，張 帆，岑 松，等．ABAQUS非線性有限元分析與實(shí)例［M］．北京:科學(xué)出版社，2005．

［3］李 俊，李小珍，任偉平，等．軌道橫梁與整體節(jié)點(diǎn)連接的疲勞試驗(yàn)［J］．西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006(3):371-375．