108 m下承式無豎桿鋼桁梁整體式節點板受力分析

郭子煜

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

節點板是鋼桁梁的主要構件，主桁桿件及橋面系的內力通過節點板傳遞。國內新建鋼梁橋上，整體節點已經取代了拼裝式節點，成為我國鐵路鋼桁梁的發展趨勢[1]。整體節點的鋼梁桿件是將節點板與一端的弦桿焊接成為一個整體，主桁節點板成為箱形，這樣能更好地傳遞內力[2]。以某高速鐵路108 m雙線下承式簡支鋼桁梁中某一節點及其橫梁為研究對象。

由于本橋采用縱橫梁體系，只在節點處有橫梁，且橫梁高度遠大于弦桿高度，設計時將節點板高度與橫梁腹板等高，為了控制節點板橫向變形，在節點板上方設計一塊與橫梁上翼緣等寬等厚的上蓋板，并在節點板之間設置隔板，節點板與橫梁腹板間設置與橫梁腹板等厚度的連接板[3]。對節點板、橫梁及其他隔板建立有限元模型，通過對其應力及變形的分析，得出該節點處各桿件的設計滿足受力及變形要求。

1 節點及橫梁尺寸

本橋主桁無豎桿，共8個節間，每個節間13.5 m，主桁中心距13.5 m，下弦內寬820 mm，外高1 350 mm，橫梁高2 800 mm，橫梁翼緣厚50 mm，腹板厚24 mm。橋面荷載通過4片縱梁傳遞給橫梁。本文選取的節點板厚36 mm，節點板及橫梁構造如圖1所示。節點板的圓弧R采用700 mm的大半徑圓弧，可以有效地提高節點板的受力性能[3]，節點板的寬度d為1 350 mm(即弦桿高度)，R/d>1/2是最佳整體節點形式[4]，鋼材材料為Q370qE。

圖1 節點板及橫梁構造(單位：mm)

2 有限元建模參數

2.1 模型建立及單元劃分

計算模型采用有限元軟件MidasFEA建立，選取鋼桁梁某節點及相應位置處的橫梁建立有限元模型，此處節點所受右側腹桿的壓力，和左側腹桿的拉力為各節點中最大。所有桿件均采用板單元模擬。模型共劃分板單元47 729個。單元模型參見圖2。

圖2 結構整體模型單元節點

2.2 模型簡化

模型僅選取某節點及其橫梁進行建模分析，對于模型范圍外的結構對本模型產生的軸力與彎矩，均通過均布荷載施加在節點板邊緣。所施加外力由全橋整體模型midas Civil程序計算結果提取。橫梁在縱梁處所受集中力，按影響線加載計算得出。

計算中不考慮結構材料的非線性，將結構視為均質彈性體，以彈性模量和泊松比表示結構的材料特性，不考慮幾何非線性效應。

2.3 邊界條件模擬

本計算主要是模擬在鋼桁梁設計中，節點板受腹桿內力最大時，橫梁對節點板及隔板的影響，將節點板一側固定形成靜定體系。

2.4 荷載取值、模擬

(1)自重：模型結構自重由有限元程序根據相應材料及尺寸自行計入；

(2)節點板受力：主桁內力F1以均布荷載施加于節點板上，腹板內力以節點力的形式施加于連接截面的形心節點上。具體施加的各外力及約束如圖3所示。

(3)橫梁受力：將縱梁對橫梁的作用力簡化為4個集中力，大小為1 880 kN。

圖3 節點板受力

3 有限元計算結果

3.1 模型應力場

經建模計算，得各力作用下節點板及隔板局部應力場如圖4～圖5所示。其中，對于節點板，由于R/d>1/2，最大應力并不發生在節點板圓弧的起始處，圓弧的應力集中效應已經趨于平穩[4]，下端與下弦過渡處應力較為集中[5-6]，但已不是最大應力處。最大主拉應力出現在F3施加處，局部應力為243 MPa，沿腹桿軸線向節點板中心拉應力越來越小。最大主壓應力出現在F2施加處，為109 MPa，沿腹桿軸線向節點板中心壓應力越來越小。對于與節點板焊接的上下隔板，上隔板最大主拉應力為229.9 MPa，出現在上隔板與外側節點板焊接下端，最大主壓應力為2.6 MPa，出現在上隔板下端。下隔板最大主拉應力為124.2 MPa，出現在下隔板與外側節點板焊接下端，最大主壓應力為4.8 MPa，出現在隔板中心。拉應力及壓應力均小于規范限值[7]，符合要求。

隔板焊縫處是疲勞強度控制的關鍵部位[8]。模型隔板焊縫疲勞應力的檢算，將一線最大活載，另一線為80 kN/m活載加載所得的模型外力加載到本模型上。沖擊系數按1+18/(40+L)。計算本模型的應力如圖6所示。上下隔板應力最大處的應力幅分別為95.7 MPa和45.9 MPa。滿足規范要求。

圖4 節點板Sx云圖(單位：MPa)

圖5 橫隔板局部Sx云圖(單位：MPa)

圖6 隔板應力幅(單位：MPa)

3.2 橫梁對節點板的影響

經建模計算，整體模型的橫向位移如圖7所示。模型的邊界條件是在模型的最外側的4個點進行鉸接約束，橫向變形完全靠自身的剛度抵抗，模型以外并沒有施加約束，而實際鋼梁在節點處的橫向變形，還受到主桁及腹桿在橫梁面內約束，故模型計算所得的變形是偏于安全的。模型的最大橫向位移為3 mm，位于節點上蓋板，轉角為1.1‰。規范中并未對節點板的橫向轉角有規定，查閱相關資料也并未找到相關限值，但1.1‰的角度基本可以忽略。

圖7 模型橫向位移(單位：mm)

4 結論

通過上述應力及位移圖表可得：

(1)結構在外力作用下應力圖結果，基本能反映出結構在外力作用下的受力變形狀況，基本符合結構變化規律；

(2)結構在外力作用下，節點板，隔板及其焊接處應力均小于規范限值，結構受力變形符合要求；

(3)當節點板R/d>1/2時，圓弧的應力集中效應已經趨于平穩，最大應力并不發生在節點板圓弧的起始處，而是發生在施加腹桿外力處；

(4)通過模型分析可得，當無豎桿鋼桁梁的節點板高度由橫梁高度控制時，在節點板上端設置上蓋板并與橫梁上翼緣焊接，節點板之間設置橫隔板，這樣可以控制節點板在橫向的變形，設計滿足要求。

[1] 趙廷衡，林蔭岳.京九線孫口黃河大橋整體節點鋼桁梁[J].鐵道工程學報，1996(3):53-61．

[2] 鐵道部大橋工程局.孫口黃河大橋技術總結[M].北京：科學出版社，1997．

[3] 運輸省鐵道局.鐵路結構物設計標準及解說鋼橋、結合梁橋[M].日本：丸善株式會社，2003．

[4] 張建民，高鋒.鋼桁梁橋整體節點的優化分析[J].中國鐵道科學，2001(5):89-92．

[5] [日]小西一郎.鋼橋[M].北京：人民鐵道出版社，1980:11-29．

[6] 李厚民，熊健民，余天慶，王天亮.鋼桁梁整體節點技術研究[J].湖北工學院學報，2001(1)：44-47．

[7] 中華人民共和國鐵道部.TB10002.2—2005 鐵路橋梁鋼結構設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005．

[8] 李厚民，熊健民，余天慶，諸利波.鋼桁梁整體節點模型強度分析[J].湖北工學院學報，2002(1)：38-40．

[9] 李富文，伏魁先，劉學信.鋼橋[M].北京：中國鐵道出版社，2002.

[10] 中華人民共和國鐵道部.TB10002.1—2005 鐵路橋涵設計基本規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.