全焊接整體式節(jié)點腹板開孔形式應(yīng)力影響分析

傅宇成

(西南交通大學(xué)，四川成都 610000)

1 鋼梁整體式節(jié)點

1995年，我國在孫口黃河大橋中首次采用整體焊接節(jié)點技術(shù)，但由于焊接的疲勞問題，采用了內(nèi)插式的栓焊節(jié)點構(gòu)造形式連接腹桿[1]，希望通過一定的螺栓連接保證節(jié)點連接的可靠性。隨后在國內(nèi)鋼橋的整體式節(jié)點設(shè)計上普遍采用以螺栓連接為主，焊接連接為輔的栓焊連接形式連接腹桿[2]。雖然栓焊連接能部分避免焊縫所帶來的疲勞問題，但是栓焊連接形式連接腹桿由于螺栓的存在也有其弊端。一是橋上螺栓有可能松脫掉落到橋面上危及過往車輛與行人的安全；其次，螺栓群并不能均勻承受軸力[3]，在軸力作用下前排螺栓受力大，如果前排螺栓被剪斷后則會導(dǎo)致后排螺栓也被剪斷，最后腹板連接處的連接失效，使結(jié)構(gòu)存在隱患；最后，螺栓的存在會使橋梁的外觀效果較差，這在城市橋梁中特別需要避免。因此，隨著國內(nèi)鋼橋施工與設(shè)計水平的提高，必然存在著以焊接為腹板主要連接形式的整體式節(jié)點的發(fā)展趨勢[4]。

在鋼桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計中連接多根桿件的節(jié)點構(gòu)造形式主要分為兩種：一種是各桿件單獨制造，在節(jié)點處通過較大的節(jié)點板與各根桿件通過焊縫連接從而形成整體，即普通節(jié)點。另一種構(gòu)造形式是把節(jié)點單獨作為一個制造單元，然后各桿件與節(jié)點單元通過焊縫連接成為一體，即節(jié)點為單獨的整體式節(jié)點。

對比兩種形式，節(jié)點板構(gòu)造需要較多而復(fù)雜的拼接板制造復(fù)雜，同時連接的整體性較以節(jié)點為單獨制造單元的整體式節(jié)點差，因此在節(jié)點構(gòu)造形式的選擇上已趨向于采用整體式節(jié)點。

對于整體節(jié)點的節(jié)點板，張建民等[5]分析了不同節(jié)點板寬度(d)以及節(jié)點板圓弧半徑(R)與整體節(jié)點最大應(yīng)力集中系數(shù)(Kmax)的關(guān)系；對于整體式節(jié)點腹桿與節(jié)點板的連接方式，喬晉飛等[6]通過實測資料研究了腹桿與節(jié)點板的連接，并得出整體節(jié)點及其它鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計細(xì)節(jié)中應(yīng)貫徹大弧、緩坡等措施提高疲勞性能等結(jié)論。但對于腹板開孔形式對應(yīng)力的影響，雖然在構(gòu)造上已有一些普遍認(rèn)識，但是在腹板與整體節(jié)點弦桿連接處開孔的必要性與開孔的形式仍然沒有細(xì)致的分析研究，因此本文通過有限元法建立節(jié)點試驗?zāi)Ｐ?，分析在整體式節(jié)點的腹板連接處開孔的必要性，并通過對比不同的開孔形式,從而得出一種較合理的構(gòu)造形式。

2 有限元模型

2.1 模型參數(shù)

考慮桁架結(jié)構(gòu)主要受軸力影響，因此采用對稱的整體式節(jié)點，節(jié)點兩端采用多點鉸接約束，節(jié)點中設(shè)一豎桿，對豎桿頂端施加集中荷載，模型尺寸如圖1所示。

圖1 力學(xué)模型(單位：mm)

2.2 有限元模型

由于焊接殘余應(yīng)力對整體式節(jié)點板的靜力強度沒有影響，而本文著重討論的是腹板與節(jié)點連接處開孔形式對應(yīng)力的影響，因此沒有考慮焊縫應(yīng)力的影響。有限元模型采用四面體實體單元。在整體式節(jié)點兩端面的所有節(jié)點上均約束了三個方向上的平動自由度，與試驗力學(xué)模型一致。

另外，在整體節(jié)點板與豎桿連接處應(yīng)力狀態(tài)較為復(fù)雜，同時也是研究關(guān)注的地方，故對該處進行網(wǎng)格細(xì)分，在節(jié)點板過渡圓弧處為50等分，在腹板開孔處為200等分。其余地方按100 mm劃分，細(xì)分結(jié)果如圖2所示。

圖2 有限元模型

對于豎桿頂端受集中力作用處考慮實際為全截面均參與受力，故在豎桿頂端建立剛性連接單元，聯(lián)結(jié)端面所有節(jié)點到一個加載節(jié)點上，再把集中荷載施加到加載節(jié)點，從而模擬實際受力。

模型1為腹板與整體式節(jié)點連接不采取開孔，直接與節(jié)點弦桿上頂板相連；模型2至模型5為不同形式的開孔,分別為矩形孔、不設(shè)過渡直線的圓弧孔、與腹板翼緣相切的圓弧孔、設(shè)過渡直線的圓弧孔；模型5至模型10為現(xiàn)在使用較多的腹板開孔形式的不同徑寬比(R/d，其中R為開孔弧線的半徑，d為腹板寬度)的比較。以上開孔位置為距整體式節(jié)點弦桿頂板100 mm處開始，且整體式節(jié)點與豎桿的焊縫位置不變。

3 計算結(jié)果及分析

為了計算分析整體式節(jié)點與腹板連接處開孔的必要性及合理的開孔形式，依據(jù)上節(jié)有限元數(shù)值試驗?zāi)Ｐ偷慕⒎椒ü步⒘?0個模型(表1)。

3.1 節(jié)點開孔必要性

加載后腹板應(yīng)力狀態(tài)如圖3所示。集中力作用在豎桿截面上所引起的平均應(yīng)力為11.166 MPa。由圖可以看出，力作用在豎桿頂端后沿豎桿向下傳遞，在豎桿高度1/2左右處力流開始向豎桿的翼緣移動，從而通過整體節(jié)點的側(cè)板傳遞支承處。而在豎桿腹板與節(jié)點弦桿上頂板相接處出現(xiàn)明顯的卸載現(xiàn)象，使得這部分腹板應(yīng)力值為2.450 MPa左右，卸載率為78 %。因此，在腹板與整體式節(jié)點直接相連接的情況下，整體式節(jié)點在承受豎桿傳來的豎向荷載時，主要通過節(jié)點兩側(cè)板傳力，所以在腹板與整體式節(jié)點連接處采用開孔相連的方式，不但可以減少結(jié)構(gòu)自重，而且可以使整體式節(jié)點傳力更加明確,這在結(jié)構(gòu)設(shè)計中是有其必要性的。

圖3 模型1應(yīng)力狀態(tài)

3.2 節(jié)點開孔形式對比

模型2至模型5加載后應(yīng)力狀態(tài)見圖4。腹板底邊中點處應(yīng)力值見表2。

表2 腹板底邊中點、邊緣應(yīng)力值 MPa

圖4 模型2至模型5應(yīng)力狀態(tài)

由圖4可知，在腹板底緣與整體式節(jié)點弦桿上頂板不再接觸后，在腹板底緣與節(jié)點側(cè)板相接處容易引起應(yīng)力集中。

由圖4(a)可知，矩形開孔形式在腹板底緣仍然受一較均勻的應(yīng)力值，數(shù)值接近11 MPa，與腹板平均應(yīng)力11.166 MPa接近。同時，卸載區(qū)在底緣上方。

由圖4(b)可知，不設(shè)過渡線的圓弧開孔上出現(xiàn)交替應(yīng)力，直線段與圓弧線相接處應(yīng)力值接近0.1 MPa。同時，在圓弧中點處有一應(yīng)力集中，數(shù)值比矩形開孔大。

由圖4(c)可知，與腹板翼緣相切的圓弧孔開孔形式的應(yīng)力交替現(xiàn)象比不設(shè)過渡線的圓弧開孔大，但與節(jié)點側(cè)板相接處應(yīng)力值較小。同時，在圓弧中點處有一應(yīng)力集中，數(shù)值與范圍比不設(shè)過渡線的圓弧開孔大。

由圖4(d)可知，設(shè)過渡直線的圓弧孔較符合力向腹板兩側(cè)傳遞的趨勢，在直線段引起的應(yīng)力值較小。但是其與節(jié)點側(cè)板相接處應(yīng)力較其他開孔形式的大。

綜上所述，為避免節(jié)點底緣上的應(yīng)力交替出現(xiàn)，使應(yīng)力集中出現(xiàn)在多區(qū)域及卸載區(qū)出現(xiàn)于底緣上方，不便于開孔作業(yè)，因此模型5的開孔方式較其他開孔方式有力線傳遞順直，便于開孔的優(yōu)點。

3.3 設(shè)過渡直線的圓弧孔徑寬比對比

模型10加載后應(yīng)力狀況見圖5。模型5至模型9加載后應(yīng)力狀態(tài)與模型10類似，為圖4(d)至圖5間變化。腹板中點處應(yīng)力集中系數(shù)隨著徑寬比的變化情況如圖6所示。

圖5 模型10應(yīng)力狀態(tài)

由圖6可知，腹板中點處應(yīng)力集中系數(shù)隨著寬徑比的增大而減小，其減小程度一開始較大，隨后趨緩。然而隨著開孔圓弧半徑的增大，過渡直線段減短，圓弧與過渡直線段相切處附近出現(xiàn)較大應(yīng)力值，使腹板開孔處出現(xiàn)交替應(yīng)力。

圖6 腹板中點應(yīng)力集中系數(shù)與徑寬比關(guān)系

因此，整體式節(jié)點腹板的開孔形式并不是寬徑比越大腹板應(yīng)力集中系數(shù)就越小，其應(yīng)當(dāng)遵循著一個規(guī)律：在腹板寬度確定以后，腹板開弧半徑不應(yīng)太大，以免影響豎向力流的傳力，從而引起除腹板中點外的應(yīng)力過于集中，其較合理的徑寬比為0.4左右。

4 結(jié)論

本文針對整體式節(jié)點的腹板與節(jié)點弦桿上頂板連接處是否需要開孔以及開孔的形式進行了討論。其中，對于腹板是否開孔采用了建立腹板與頂板直接連接的有限元模型，從而分析其在該狀況下的應(yīng)力狀態(tài)，考慮是否有不相接后的優(yōu)化空間。對于腹板開孔形式，本文討論了兩個方面，一方面是通過建立有限元模型，對比分析了腹板開孔分別為矩形孔、不設(shè)過渡直線的圓弧孔、與腹板翼緣相切的圓弧孔、設(shè)過渡直線的圓弧孔，這四種開孔形式的特點；另一方面，通過對比分析設(shè)過渡直線的圓弧孔這一開孔形式的不同徑寬比下的應(yīng)力狀態(tài)，找尋其隨著徑寬比變化的規(guī)律。本文的主要結(jié)論如下：

(1)整體式節(jié)點中，腹桿的腹板開孔有其必要性。其開孔后能使結(jié)構(gòu)自重減少，同時使節(jié)點的傳力更加明確。

(2)在矩形孔、不設(shè)過渡直線的圓弧孔、與腹板翼緣相切的圓弧孔、設(shè)過渡直線的圓弧孔，這四種開孔形式中，設(shè)過渡直線的圓弧孔較符合豎向力力流的傳遞，通過設(shè)置合理的寬徑比與圓弧開孔到腹板底緣的距離可以達(dá)到只有圓弧中點有最大的應(yīng)力集中，并且該應(yīng)力集中不太大。

(3)設(shè)過渡直線的圓弧孔這一開孔形式的合理徑寬比為0.4。但為了降低腹板底緣與腹板翼緣相接處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)結(jié)合與腹板翼緣相切的圓弧孔的開孔形式的優(yōu)點，在該處相切倒弧再接過渡直線段，而不采用直線與腹板翼緣相接的形式。