双层景观钢桁梁桥整体节点受力性能分析

陈刘明，唐冕，张凡

(1.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2. 通号贵州置业有限公司，贵州 贵阳 550004)



双层景观钢桁梁桥整体节点受力性能分析

陈刘明1，唐冕1，张凡2

(1.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2. 通号贵州置业有限公司，贵州 贵阳 550004)

摘要:结合工程实例，比较螺栓连接和焊接2种不同的连接方式、并精细模拟焊接过程、分析焊接残余应力、研究拼接板及节点板的形状等构造细节对节点应力的影响规律。研究结果表明：焊缝上纵向残余拉应力较大、分布规律较明显；横向残余应力受其他焊缝影响较大，分布无规律；焊缝平行方向的纵向残余应力基本保持不变、其垂直方向的横向残余应力出现马鞍型峰值；节点连接方式对节点应力分布的影响不显著；采用弧形过渡的节点板可以显著降低节点连接处的应力集中。

关键词：整体节点；螺栓连接；焊接；应力状态；残余应力

双层钢桁梁桥的整体节点联结杆件众多，节点构造及受力状态非常复杂，国内外没有专门的设计规范。目前，对于大跨度公铁两用桥的整体节点研究较多，如芜湖长江大桥整体节点的模型的ANSYS分析[1]、郑州黄公铁两用大桥斜边主桁下弦整体节点空间有限元模型[2]等，主要集中在整体节点的静力特性[2]、疲劳性能[3-4]和焊接性能[5]等主要问题。国内外对于中小跨径城市景观双层桁梁的研究较少，并且由于试验模型制作的费用等条件的限制，研究仅对具体的单个节点或节点的细节，而在整体节点与周围杆件采用的连接方式方面，未做探讨；同时对钢桁梁整体节点焊接分析方面的研究，通常只限于对节点的最终残余应力、应变的分析[6]，对于整体节点的焊接过程及焊接结果的详细分析也鲜有涉及。在此，本文结合工程实例，比较2种节点连接方式—部分栓接和全部焊接的节点模型。对节点的复杂内力情况下多个部位的应力状态进行分析和比较，得出节点形式对面板、拼接板等多个位置的应力分布规律。进行节点焊接的残余应力分析。采用简化计算模型，运用热弹塑性有限元方法，精细模拟焊接过程，分析焊接过程的应力场变化，并探讨该节点的焊接残余应力规律及预防措施，为同类型节点的设计和施工提供参考。

1工程背景

贵阳市南明河景观光电车1号桥为计算跨径56 m的双层钢桁梁，下层过电车观光及行人，桥面总宽度为20 m，上层为人行天桥，桥面宽度为12 m。钢桁梁桥的上、中、下弦杆均采用箱形截面，除支座处采用箱型截面外其余腹杆均采用工字型截面。主桁高度14 m，宽12 m，标准节间长度5.6 m，在每节间处设置一道横联。桥型布置如图1所示。在设计之初，整体节点和杆件的连接部分采用高强螺栓连接，但后来由于景观设计及工期等特殊要求全部改为焊接。因此，本文主要比较分析栓接和焊接这2种不同的连接方式对节点受力性能的影响。

图1　钢桁梁桥布置图Fig.1 Arrangement plan of steel truss bridge

2精细化的有限元模型

2.1全桥模型

采用大型通用有限元分析软件Midas Civil建立全桥的空间有限元模型。主桁各杆件、桥面系纵横梁、平纵联等杆件全部采用梁单元模拟，整体模型共计2 167个单元，1 668个节点。全桥的空间有限元模型见图2。

图2　全桥有限元模型Fig.2 FEM of bridge

2.2节点模型

本文所选取的节点为靠近支座位置的中间弦杆节点(图2中圆圈所示)，该节点(以下简称ZM1节点)连接中弦杆、中横梁、及受力较大的端斜杆和端竖杆交叉的位置，节点构造和受力状态均比较复杂，采用Ansys软件对处节点进行详细的模型分析。节点有限元模型如图3所示。

(a)形式1：整体节点，各肢与节点栓接；(b)形式2：整体节点，各肢与节点焊接图3　2种节点的有限元模型Fig.3 Two finite models of nodes

根据Midas模型计算结果，提取恒载+活载组合最小工况(以下称工况1)，提取的内力值见表1。

表1　恒载+活载工况下各杆内力值

注：*表中的恒载+活载，已经考虑风荷载和火车制动力。

2.3有限元网格精度

划分有限元网格时，对于一般的实体结构可以采用大尺寸自动划分，但对于整体结点板、焊缝、螺栓孔等位置由于尺寸变化及温度场等因素影响，需要进行精细的有限元网格划分。为了选择合适的网格精度，对工况1的节点形式2的面板焊缝附近的单元尺寸大小分别取1.8～10 mm，计算结果如表2所示。

表2　单元网格精度对结果的影响

由表2可知，在一定范围内应力结果随单元大小基本稳定，但当单元尺寸过小时，最大应力值有突然增大趋势，主要是由于壳单元在集中力作用下较易出现应力集中，尤其是在壳单元对接的位置更容易出现畸变应力，另外所需计算内存也成倍增加。因此，在比较同类型工程实例[10-11]的条件下，结合表2的计算结果，面板的单元大小取ESIZE=0.032 m，隔板单元取ESIZE=0.04 m，拼接板与其他过渡的细节处取ESIZE=0.02 m。

3连接方式的比较

3.1螺栓连接

螺栓连接的优点在于施工工艺简单，安装方便，适用于工地安装连接，能更好地保证工程进度和质量。缺点是因开孔对构件截面会产生一定的削弱，且被连接的构件需要相互搭接或另加拼接板、角钢等连接件，从而相对耗材比较多，构造频繁。计算螺栓连接的节点在工况1下的应力结果如图4所示。由图4可知，在螺栓连接的栓孔处应力集中；等效应力最大值出现在最外排靠近连接缝的螺栓处，最小值出现在横梁中心。

图4　结构应力图Fig.4 Stress diagram of the structure

图5　结构应力图Fig.5 Stress diagram of the structure

3.2焊接

焊接的优点在于任何形式的构件一般都可直接相连，不会削弱构建截面。缺点是焊缝附近的钢材，在高温作用下形成热影响区，导致材质局部变脆，焊接过程中钢材由于受到不均匀的加温和冷却，使结构产生焊接残余应力和残余变形，也使钢材的刚度受到影响。

计算焊接的节点在工况1下的应力结果如图5所示。由图5可知，在倒角处和腹板与面板相接处出现较多应力集中；等效应力最大值位于端斜杆与面板相接处，最小值出现在横梁中心。

本文基于热弹塑性理论，应用Ansys软件对焊接过程进行仿真模拟。在有限元建模时，利用构件的对称性来简化。因此，取桁梁全焊节点的主要部位的1/4结构进行温度场和应力场的模拟分析。采用如图6所示的结构计算，模型共包括1块节点面板和4块各肢的衬板，共计4条焊缝，编号为W1-W4，焊缝的长度与衬板长度相同。

(a)节点全结构模型；(b)1/4结构模型图6　结构的FEM模型Fig.6 FEM model of the structure

3.3焊接残余应力

由于焊接时的不均匀温度场，材料会产生塑性变形和相变应变，刚才冷却后残存于焊件的应力称为焊接残余应力，且由于焊接过程中材料的不均匀变化，结构还会产生残余变形[7]。

根据焊接残余应力的方向及分布情况，残余应力的主要形式有：纵向残余应力，横向残余应力和沿厚度方向的残余应力。厚度方向的残余应力一般只在厚板焊接结构中才出现较高的值，在薄板中数值一般较小[8-10]，可以忽略。本文节点中焊接所用的材料厚度相对于长宽都很小，结构采用壳单元计算，厚度方向上的焊接残余应力相对较小，残余应力主要出现在X轴和Y轴方向，即应力呈平面应力状态，因此主要分析节点平面应力状态。

分别沿W1和W22条焊缝设置2条路径，定为P1和P2，垂直于W1方向设置路径P3，垂直于W2方向设置路径P4，焊接残余应力的云图如图7所示。提取路径上纵向应力值σx和横向应力值σy，绘制残余应力曲线，设置的分析路径及获得的残余应力见图8～9所示。

单位：mm图8　残余应力分析路径Fig.8 Path analysis of residual stress

由图9可知：焊缝上的纵向残余应力大部分为拉应力，在焊缝端部快速减小为压应力，中间大两端小。横向应力受到其他焊缝焊接的影响，呈现较大的波动，呈两端大中间小；在焊缝附近的残余应力，纵向应力基本保持不变，横向应力在焊缝位置处迅速增大，出现峰值。

4构造细节研究

4.1拼接板

(a)路径P1；(b)路径P2；(c)路径P3；(d)路径P4图9　焊缝残余应力Fig.9 Weld residual stress

单位：MPa(a) 外侧；(b) 内侧图10　拼接板的应力Fig.10 Stress of the splice plate

由于2种形式对节点性能的影响不大，但采用螺栓连接的方式可以避免节点内部焊缝过多过密，螺栓连接中的拼接板应力见图10。

从图10可以看出，相同位置拼接板外侧和内侧的应力值基本相等，分布规律亦相一致。下面详细分析分别承受最大轴向拉力、压力的两根斜杆的拼接板。

在Ansys结果中，分别沿拼接板的纵向和横向定义6条路径path-1～path-6如图11～12所示，绘制应力曲线图如图13～14所示。与压杆拼接板相似，其中V1～V3分别为path1～ path3的平均值。

单位：mm

单位：mm

(a)横向分布；(b)纵向分布图13　压杆拼接板的应力Fig.13 Stress of the compressed splice plate

(a)横向分布；(b)纵向分布图14　拉杆拼接板的压力Fig.14 Stress of the stretched splice plate

通过比较可知：拼接板受拉和受压状态下的应力分布基本相同；拼接板应力在横向上呈波浪形分布；拼接板应力在纵向的分布，栓群中心较大，往两端逐渐减小。

4.2面板设计优化

节点面板是受力和构造最复杂的板件之一，在面板法线方向设置的众多板件与其连接处，是结构最易出现应力集中的位置。因此在制作板件时，这些位置通常需要设置构造优化的措施，常用的方法就是将这些位置设置圆弧形状的过渡，且参照文献[11]等，本文以全焊接型节点讨论局部的构造优化措施对节点受力性能的影响，如图15所示。

(a)不设置过渡的全焊节点；(b)设置过渡的全焊节点图15　构造细节优化对比Fig.15 Comparison of Structural details optimization

通过对比可知：未优化的节点面板最大应力值较设置圆弧过渡的节点面板最大应力值更大。因此，设置合适的连接构造措施，可以较好优化节点的受力状态。

5结论

1)在焊缝上的纵向残余应力，大部分表现为拉应力，在焊缝端部快速减小为压应力。横向残余应力值基本都呈两端大中间小的分布规律，但焊缝由于相互影响，横向应力受其他焊缝影响较大，分布规律不明显。

2)在焊缝附近的残余应力，平行焊缝方向的纵向应力基本保持不变，垂直焊缝方向的横向应力，靠近焊缝位置迅速增大并接近屈服，出现峰值。

3)通过全结构应力分布的分析，结合节点的应力云图，表明2种形式的节点应力分布的规律基本一致。说明节点连接形式对节点内应力分布影响不显著。

4)采用弧形过渡的构造措施，可以显著降低节点连接处的应力集中。

参考文献：

[1] 王天亮.钢桁梁整体节点试验研究[J].桥梁建设,1999(4):32-40.

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

[2] 卫星.郑州黄河公铁两用斜拉桥斜桁节点受力性能研究[J].铁道学报,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] 任伟平.钢桥整体节点疲劳性能试验与研究[D].成都:西南交通大学,2004.

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

[4] 李鑫.基于车桥耦合振动的大跨度铁路钢桁梁桥整体节点疲劳研究[D].成都：西南交通大学,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,陈玮,杨允表.连续钢桁架—桁拱组合桥节点的焊接残余应力分析[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] 黄永辉,王荣辉,甘泉.钢桁梁桥整体节点焊接残余应力试验[J].中国公路学报,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] 吴冲,强士中.现代钢桥[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] 汪建华.焊接数值模拟技术及其应用[M].上海：上海交通大学出版社,2003.

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

[10] 鹿安理,史清宇.厚板焊接过程温度场、应力场的三维有限元数值模拟[J].中国机械工程,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] 张建民,高锋.钢桁梁桥整体节点的优化分析[J].中国铁道科学,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.

(编辑阳丽霞)

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

中图分类号：TU391

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)03-0480-08

通讯作者：唐冕(1970-)，女，辽宁开原人，副教授，博士，从事大跨复杂桥梁结构设计理论研究；E-mail: Tangmian513@163.com

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51178471)

收稿日期：2015-07-02