雙層景觀鋼桁梁橋整體節點受力性能分析

陳劉明，唐冕，張凡

(1.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；2. 通號貴州置業有限公司，貴州 貴陽 550004)

?

雙層景觀鋼桁梁橋整體節點受力性能分析

陳劉明1，唐冕1，張凡2

(1.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；2. 通號貴州置業有限公司，貴州 貴陽 550004)

摘要:結合工程實例，比較螺栓連接和焊接2種不同的連接方式、并精細模擬焊接過程、分析焊接殘余應力、研究拼接板及節點板的形狀等構造細節對節點應力的影響規律。研究結果表明：焊縫上縱向殘余拉應力較大、分布規律較明顯；橫向殘余應力受其他焊縫影響較大，分布無規律；焊縫平行方向的縱向殘余應力基本保持不變、其垂直方向的橫向殘余應力出現馬鞍型峰值；節點連接方式對節點應力分布的影響不顯著；采用弧形過渡的節點板可以顯著降低節點連接處的應力集中。

關鍵詞：整體節點；螺栓連接；焊接；應力狀態；殘余應力

雙層鋼桁梁橋的整體節點聯結桿件眾多，節點構造及受力狀態非常復雜，國內外沒有專門的設計規范。目前，對于大跨度公鐵兩用橋的整體節點研究較多，如蕪湖長江大橋整體節點的模型的ANSYS分析[1]、鄭州黃公鐵兩用大橋斜邊主桁下弦整體節點空間有限元模型[2]等，主要集中在整體節點的靜力特性[2]、疲勞性能[3-4]和焊接性能[5]等主要問題。國內外對于中小跨徑城市景觀雙層桁梁的研究較少，并且由于試驗模型制作的費用等條件的限制，研究僅對具體的單個節點或節點的細節，而在整體節點與周圍桿件采用的連接方式方面，未做探討；同時對鋼桁梁整體節點焊接分析方面的研究，通常只限于對節點的最終殘余應力、應變的分析[6]，對于整體節點的焊接過程及焊接結果的詳細分析也鮮有涉及。在此，本文結合工程實例，比較2種節點連接方式—部分栓接和全部焊接的節點模型。對節點的復雜內力情況下多個部位的應力狀態進行分析和比較，得出節點形式對面板、拼接板等多個位置的應力分布規律。進行節點焊接的殘余應力分析。采用簡化計算模型，運用熱彈塑性有限元方法，精細模擬焊接過程，分析焊接過程的應力場變化，并探討該節點的焊接殘余應力規律及預防措施，為同類型節點的設計和施工提供參考。

1工程背景

貴陽市南明河景觀光電車1號橋為計算跨徑56 m的雙層鋼桁梁，下層過電車觀光及行人，橋面總寬度為20 m，上層為人行天橋，橋面寬度為12 m。鋼桁梁橋的上、中、下弦桿均采用箱形截面，除支座處采用箱型截面外其余腹桿均采用工字型截面。主桁高度14 m，寬12 m，標準節間長度5.6 m，在每節間處設置一道橫聯。橋型布置如圖1所示。在設計之初，整體節點和桿件的連接部分采用高強螺栓連接，但后來由于景觀設計及工期等特殊要求全部改為焊接。因此，本文主要比較分析栓接和焊接這2種不同的連接方式對節點受力性能的影響。

圖1　鋼桁梁橋布置圖Fig.1 Arrangement plan of steel truss bridge

2精細化的有限元模型

2.1全橋模型

采用大型通用有限元分析軟件Midas Civil建立全橋的空間有限元模型。主桁各桿件、橋面系縱橫梁、平縱聯等桿件全部采用梁單元模擬，整體模型共計2 167個單元，1 668個節點。全橋的空間有限元模型見圖2。

圖2　全橋有限元模型Fig.2 FEM of bridge

2.2節點模型

本文所選取的節點為靠近支座位置的中間弦桿節點(圖2中圓圈所示)，該節點(以下簡稱ZM1節點)連接中弦桿、中橫梁、及受力較大的端斜桿和端豎桿交叉的位置，節點構造和受力狀態均比較復雜，采用Ansys軟件對處節點進行詳細的模型分析。節點有限元模型如圖3所示。

(a)形式1：整體節點，各肢與節點栓接；(b)形式2：整體節點，各肢與節點焊接圖3　2種節點的有限元模型Fig.3 Two finite models of nodes

根據Midas模型計算結果，提取恒載+活載組合最小工況(以下稱工況1)，提取的內力值見表1。

表1　恒載+活載工況下各桿內力值

注：*表中的恒載+活載，已經考慮風荷載和火車制動力。

2.3有限元網格精度

劃分有限元網格時，對于一般的實體結構可以采用大尺寸自動劃分，但對于整體結點板、焊縫、螺栓孔等位置由于尺寸變化及溫度場等因素影響，需要進行精細的有限元網格劃分。為了選擇合適的網格精度，對工況1的節點形式2的面板焊縫附近的單元尺寸大小分別取1.8～10 mm，計算結果如表2所示。

表2　單元網格精度對結果的影響

由表2可知，在一定范圍內應力結果隨單元大小基本穩定，但當單元尺寸過小時，最大應力值有突然增大趨勢，主要是由于殼單元在集中力作用下較易出現應力集中，尤其是在殼單元對接的位置更容易出現畸變應力，另外所需計算內存也成倍增加。因此，在比較同類型工程實例[10-11]的條件下，結合表2的計算結果，面板的單元大小取ESIZE=0.032 m，隔板單元取ESIZE=0.04 m，拼接板與其他過渡的細節處取ESIZE=0.02 m。

3連接方式的比較

3.1螺栓連接

螺栓連接的優點在于施工工藝簡單，安裝方便，適用于工地安裝連接，能更好地保證工程進度和質量。缺點是因開孔對構件截面會產生一定的削弱，且被連接的構件需要相互搭接或另加拼接板、角鋼等連接件，從而相對耗材比較多，構造頻繁。計算螺栓連接的節點在工況1下的應力結果如圖4所示。由圖4可知，在螺栓連接的栓孔處應力集中；等效應力最大值出現在最外排靠近連接縫的螺栓處，最小值出現在橫梁中心。

圖4　結構應力圖Fig.4 Stress diagram of the structure

圖5　結構應力圖Fig.5 Stress diagram of the structure

3.2焊接

焊接的優點在于任何形式的構件一般都可直接相連，不會削弱構建截面。缺點是焊縫附近的鋼材，在高溫作用下形成熱影響區，導致材質局部變脆，焊接過程中鋼材由于受到不均勻的加溫和冷卻，使結構產生焊接殘余應力和殘余變形，也使鋼材的剛度受到影響。

計算焊接的節點在工況1下的應力結果如圖5所示。由圖5可知，在倒角處和腹板與面板相接處出現較多應力集中；等效應力最大值位于端斜桿與面板相接處，最小值出現在橫梁中心。

本文基于熱彈塑性理論，應用Ansys軟件對焊接過程進行仿真模擬。在有限元建模時，利用構件的對稱性來簡化。因此，取桁梁全焊節點的主要部位的1/4結構進行溫度場和應力場的模擬分析。采用如圖6所示的結構計算，模型共包括1塊節點面板和4塊各肢的襯板，共計4條焊縫，編號為W1-W4，焊縫的長度與襯板長度相同。

(a)節點全結構模型；(b)1/4結構模型圖6　結構的FEM模型Fig.6 FEM model of the structure

3.3焊接殘余應力

由于焊接時的不均勻溫度場，材料會產生塑性變形和相變應變，剛才冷卻后殘存于焊件的應力稱為焊接殘余應力，且由于焊接過程中材料的不均勻變化，結構還會產生殘余變形[7]。

根據焊接殘余應力的方向及分布情況，殘余應力的主要形式有：縱向殘余應力，橫向殘余應力和沿厚度方向的殘余應力。厚度方向的殘余應力一般只在厚板焊接結構中才出現較高的值，在薄板中數值一般較小[8-10]，可以忽略。本文節點中焊接所用的材料厚度相對于長寬都很小，結構采用殼單元計算，厚度方向上的焊接殘余應力相對較小，殘余應力主要出現在X軸和Y軸方向，即應力呈平面應力狀態，因此主要分析節點平面應力狀態。

分別沿W1和W22條焊縫設置2條路徑，定為P1和P2，垂直于W1方向設置路徑P3，垂直于W2方向設置路徑P4，焊接殘余應力的云圖如圖7所示。提取路徑上縱向應力值σx和橫向應力值σy，繪制殘余應力曲線，設置的分析路徑及獲得的殘余應力見圖8～9所示。

單位：mm圖8　殘余應力分析路徑Fig.8 Path analysis of residual stress

由圖9可知：焊縫上的縱向殘余應力大部分為拉應力，在焊縫端部快速減小為壓應力，中間大兩端小。橫向應力受到其他焊縫焊接的影響，呈現較大的波動，呈兩端大中間小；在焊縫附近的殘余應力，縱向應力基本保持不變，橫向應力在焊縫位置處迅速增大，出現峰值。

4構造細節研究

4.1拼接板

(a)路徑P1；(b)路徑P2；(c)路徑P3；(d)路徑P4圖9　焊縫殘余應力Fig.9 Weld residual stress

單位：MPa(a) 外側；(b) 內側圖10　拼接板的應力Fig.10 Stress of the splice plate

由于2種形式對節點性能的影響不大，但采用螺栓連接的方式可以避免節點內部焊縫過多過密，螺栓連接中的拼接板應力見圖10。

從圖10可以看出，相同位置拼接板外側和內側的應力值基本相等，分布規律亦相一致。下面詳細分析分別承受最大軸向拉力、壓力的兩根斜桿的拼接板。

在Ansys結果中，分別沿拼接板的縱向和橫向定義6條路徑path-1～path-6如圖11～12所示，繪制應力曲線圖如圖13～14所示。與壓桿拼接板相似，其中V1～V3分別為path1～ path3的平均值。

單位：mm

單位：mm

(a)橫向分布；(b)縱向分布圖13　壓桿拼接板的應力Fig.13 Stress of the compressed splice plate

(a)橫向分布；(b)縱向分布圖14　拉桿拼接板的壓力Fig.14 Stress of the stretched splice plate

通過比較可知：拼接板受拉和受壓狀態下的應力分布基本相同；拼接板應力在橫向上呈波浪形分布；拼接板應力在縱向的分布，栓群中心較大，往兩端逐漸減小。

4.2面板設計優化

節點面板是受力和構造最復雜的板件之一，在面板法線方向設置的眾多板件與其連接處，是結構最易出現應力集中的位置。因此在制作板件時，這些位置通常需要設置構造優化的措施，常用的方法就是將這些位置設置圓弧形狀的過渡，且參照文獻[11]等，本文以全焊接型節點討論局部的構造優化措施對節點受力性能的影響，如圖15所示。

(a)不設置過渡的全焊節點；(b)設置過渡的全焊節點圖15　構造細節優化對比Fig.15 Comparison of Structural details optimization

通過對比可知：未優化的節點面板最大應力值較設置圓弧過渡的節點面板最大應力值更大。因此，設置合適的連接構造措施，可以較好優化節點的受力狀態。

5結論

1)在焊縫上的縱向殘余應力，大部分表現為拉應力，在焊縫端部快速減小為壓應力。橫向殘余應力值基本都呈兩端大中間小的分布規律，但焊縫由于相互影響，橫向應力受其他焊縫影響較大，分布規律不明顯。

2)在焊縫附近的殘余應力，平行焊縫方向的縱向應力基本保持不變，垂直焊縫方向的橫向應力，靠近焊縫位置迅速增大并接近屈服，出現峰值。

3)通過全結構應力分布的分析，結合節點的應力云圖，表明2種形式的節點應力分布的規律基本一致。說明節點連接形式對節點內應力分布影響不顯著。

4)采用弧形過渡的構造措施，可以顯著降低節點連接處的應力集中。

參考文獻：

[1] 王天亮.鋼桁梁整體節點試驗研究[J].橋梁建設,1999(4):32-40.

WANG Tianliang. The test study of integral node of steel truss girder[J]. Bridge Construction,1999(4):32-40.

[2] 衛星.鄭州黃河公鐵兩用斜拉橋斜桁節點受力性能研究[J].鐵道學報,2011,33(9):89-93.

WEI Xing., Mechanical behaviors of special joints of inclined trusses of the Zhengzhou Yellow River highway-railway cable-stayed bridge[J]. Journal of the China Railway Society, 2011,33(9):89-93.

[3] 任偉平.鋼橋整體節點疲勞性能試驗與研究[D].成都:西南交通大學,2004.

REN Weiping. Test and research on fatigue performance of integral joint of steel bridge[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University,2004.

[4] 李鑫.基于車橋耦合振動的大跨度鐵路鋼桁梁橋整體節點疲勞研究[D].成都：西南交通大學,2013.

LI Xin. Integral joint fatigue analysis of long-span railway steel truss bridges based on coupling vibration of vehicle—bridge systems[D].Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2013.

[5] 周良,陳瑋,楊允表.連續鋼桁架—桁拱組合橋節點的焊接殘余應力分析[J].公路,2011,8(26):18-20.

ZHOU Liang, CHEN Wei, YANG Yunbiao. Analysis of welded residual stress in truss-arch and truss connection zone of a continuous steel bridge[J].Highway, 2011,8(26):18-20.

[6] 黃永輝,王榮輝,甘泉.鋼桁梁橋整體節點焊接殘余應力試驗[J].中國公路學報,2011,24(1):83-88.

HUANG Yonghui, WANG Ronghui, GAN Quan. Experiment on welding residual stress of integral joint for steel truss bridge[J]. Chinese Journal of Highway,2011,24(1):83-88.

[7] Ulutan D. Predictive modeling and multi-objective optimization of maching -induced residual stresses: investigation of machining parameter effects[D]. Rutgers University-Graduate School-New Brunswick, 2013.

[8] 吳沖,強士中.現代鋼橋[M].北京：人民交通出版社,2006.

WU Chong, QIANG Shizhong. Modern steel bridge[M]. Beijing: China Communication Press,2006.

[9] 汪建華.焊接數值模擬技術及其應用[M].上海：上海交通大學出版社,2003.

WANG Jianhua. Welding numerical simulation technology and its application[M]. Shanghai: Shanghai Jiaotong University Press,2003.

[10] 鹿安理,史清宇.厚板焊接過程溫度場、應力場的三維有限元數值模擬[J].中國機械工程,2001,12(2): 183-186.

LU Anli, SHI Qingyu. Three dimensional numerical simulation of temperature and stress distribution in welding of thick plate[J]. China Mechanical Engineering,2001,12(2):183-186.

[11] 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,2001,22(5):89-92.

ZHANG Jianmin, GAO Feng. Optimum analysis of steel truss integral joints[J]. China Railway Science, 2001,22(5):89-92.

(編輯陽麗霞)

Analysis on integral joint's force performance ofdouble-layer landscape steel truss bridge

CHEN Liuming1，TANG Mian1，ZHANG Fan2

(1. College of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China；2. CRSR, Guizhou Real Estate CO．,Ltd, Guiyang 550004, China)

Abstract:Based on an engineering example, the stress state of two kinds of different connecting modes were compared. Through simulating the welding process, the residual stress of welding was analyzed and the influence of different shape node splice plates and other structural details on the node stress were studied. The analysis results show that longitudinal weld residual tensile stress is large and distributes obviously .Transverse residual stresses are greatly influenced by other welds and distributed irregularly. In the vicinity of the weld, the longitudinal residual stress which is parallel to the direction of weld remains basically unchanged and the transverse residual stress perpendicular to the direction of weld appears with a size of saddle peak, and the node connection form has no significant impact on the internal stress distribution of nodes. Structural measures using arc transition can significantly reduce the stress concentration at the node connection.

Key words:integral node; bolt connection; welding; stress state; residual stress

中圖分類號：TU391

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)03-0480-08

通訊作者：唐冕(1970-)，女，遼寧開原人，副教授，博士，從事大跨復雜橋梁結構設計理論研究；E-mail: Tangmian513@163.com

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51178471)

收稿日期：2015-07-02