节点疲劳试验模型的空间有限元分析

周祖勇 刘 亮

(1．重庆市江北区城乡建设委员会，重庆 400025;2．中铁二十局，重庆 400074)

0 引言

对于大跨度钢桁梁桥，节点疲劳破坏是最主要的破坏形式，因此，对朝天门长江大桥进行连接节点区域的疲劳性能的研究是十分重要的。在进行疲劳试验前，先进行了试验模型的有限元数值模拟，掌握模型的应力分布状况和构造细节处的应力集中的重点区域，在试验过程中通过粘贴应变片予以重点观察，并将试验结果与理论计算值进行对比分析，便于及时判断结构疲劳损伤。

1 三维有限元计算模型的建立

采用大型通用有限元分析软件ABAQUS进行节点疲劳试验模型的空间有限元数值模拟，计算中不考虑螺栓的连接作用，将角钢与横梁、节点板固结在一起，单元类型全部为三维实体二阶单元，并对横梁与节点连接区域的网格加密一倍，模型各部采用相同的材质，弹性模量为210 000 MPa、泊松比为0．3，约束模型两端节点区域的底面和外侧面，经过计算分析，加载中心点位于距轨道横梁跨中5．2m处的一侧，如图1所示，所加荷载由轨道横梁与下层弦杆连接区域连接处的控制内力幅换算得到，荷载的大小为213．5 kN。

图1 模型立面图

2 试验模型的应力计算结果

通过对试验模型的有限元分析，得到横梁与节点连接处主要区域的应力分布，如图2所示。

图2 角钢连接区域应力分布图

根据三维有限元模拟计算可知:1)横梁与节点相连的长角钢下端和横梁上部的连接角钢有明显的应力集中区域;2)横梁腹板靠近角钢连接区域的应力明显偏大;3)试验模型横梁与节点连接区域的应力水平不高。由此试验应力的重点考察部位是横梁端部区域、上部角钢和长角钢下端区域。

通过应力分布图确定的应变测点布置的主要区域见图3。

图3 应变测点布置图

模型试验通过重庆交通大学结构工程实验室的五通道结构动态实验系统进行加载。疲劳荷载的循环次数定为200万次。为了考察试验中结构的损伤情况，在疲劳试验前对试验模型分级作0至疲劳荷载上限的静力加载3次，得到主要控制测点的应力变化曲线。

3 计算与试验结果的对比分析

表1给出了试验模型的应力实测值和理论计算值对比。

从表1可知，理论计算值与实测值的总体变化趋势是大致相同的，除部分少量测点外，大多数测点都和理论值比较接近。在213．5 kN荷载作用下，模型测点的主拉应力理论计算最大值在30 MPa左右，实测最大值在20 MPa左右;Von Mise应力理论计算最大值在60 MPa左右，实测最大值在50 MPa左右，有一定差别，这是由于理论值是在理想状态下计算而得的，而实测值因许多外界因素(如约束条件等)的影响不可避免部分偏离了理论计算值。

表1 试验模型的应力实测值和理论计算值对比表

4 结语

通过有限元数值模拟和试验结果的对比分析和相互验证，说明试验数据是可靠的，计算结果是可信的。其结果能反映试验模型在交变荷载作用下的受力状态，也间接反映了重庆朝天门长江大桥下层车道横梁与节点连接区域的实际受力状态。试验与计算分析表明:重庆朝天门长江大桥下层车道横梁与节点连接区域的设计和运行是安全的。

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

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