節點疲勞試驗模型的空間有限元分析

周祖勇 劉 亮

(1．重慶市江北區城鄉建設委員會，重慶 400025;2．中鐵二十局，重慶 400074)

0 引言

對于大跨度鋼桁梁橋，節點疲勞破壞是最主要的破壞形式，因此，對朝天門長江大橋進行連接節點區域的疲勞性能的研究是十分重要的。在進行疲勞試驗前，先進行了試驗模型的有限元數值模擬，掌握模型的應力分布狀況和構造細節處的應力集中的重點區域，在試驗過程中通過粘貼應變片予以重點觀察，并將試驗結果與理論計算值進行對比分析，便于及時判斷結構疲勞損傷。

1 三維有限元計算模型的建立

采用大型通用有限元分析軟件ABAQUS進行節點疲勞試驗模型的空間有限元數值模擬，計算中不考慮螺栓的連接作用，將角鋼與橫梁、節點板固結在一起，單元類型全部為三維實體二階單元，并對橫梁與節點連接區域的網格加密一倍，模型各部采用相同的材質，彈性模量為210 000 MPa、泊松比為0．3，約束模型兩端節點區域的底面和外側面，經過計算分析，加載中心點位于距軌道橫梁跨中5．2m處的一側，如圖1所示，所加荷載由軌道橫梁與下層弦桿連接區域連接處的控制內力幅換算得到，荷載的大小為213．5 kN。

圖1 模型立面圖

2 試驗模型的應力計算結果

通過對試驗模型的有限元分析，得到橫梁與節點連接處主要區域的應力分布，如圖2所示。

圖2 角鋼連接區域應力分布圖

根據三維有限元模擬計算可知:1)橫梁與節點相連的長角鋼下端和橫梁上部的連接角鋼有明顯的應力集中區域;2)橫梁腹板靠近角鋼連接區域的應力明顯偏大;3)試驗模型橫梁與節點連接區域的應力水平不高。由此試驗應力的重點考察部位是橫梁端部區域、上部角鋼和長角鋼下端區域。

通過應力分布圖確定的應變測點布置的主要區域見圖3。

圖3 應變測點布置圖

模型試驗通過重慶交通大學結構工程實驗室的五通道結構動態實驗系統進行加載。疲勞荷載的循環次數定為200萬次。為了考察試驗中結構的損傷情況，在疲勞試驗前對試驗模型分級作0至疲勞荷載上限的靜力加載3次，得到主要控制測點的應力變化曲線。

3 計算與試驗結果的對比分析

表1給出了試驗模型的應力實測值和理論計算值對比。

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

表1 試驗模型的應力實測值和理論計算值對比表

4 結語

通過有限元數值模擬和試驗結果的對比分析和相互驗證，說明試驗數據是可靠的，計算結果是可信的。其結果能反映試驗模型在交變荷載作用下的受力狀態，也間接反映了重慶朝天門長江大橋下層車道橫梁與節點連接區域的實際受力狀態。試驗與計算分析表明:重慶朝天門長江大橋下層車道橫梁與節點連接區域的設計和運行是安全的。

［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例［M］．北京:科學出版社，2005．

［3］李 俊，李小珍，任偉平，等．軌道橫梁與整體節點連接的疲勞試驗［J］．西南交通大學學報，2006(3):371-375．