張曄芝 , 李權(quán) , 張曉龍

(中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075)

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滬通公鐵兩用長江大橋新型全焊箱-桁組合節(jié)點受力性能研究

張曄芝 , 李權(quán) , 張曉龍

(中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075)

在建的滬通長江大橋是目前世界上跨度最大的公鐵兩用斜拉橋，通行4線鐵路、6車道公路，孔跨布置為：(142+462+1 092+462+142)=2 300m。下層鐵路橋面系為2.2m高的封閉式正交異性板鋼箱梁，主桁節(jié)點欲采用新型全焊箱-桁組合節(jié)點，節(jié)點板將主桁相關(guān)桿件和鐵路橋面系鋼箱梁連成一個整體，節(jié)點外形簡潔，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)造和受力狀態(tài)都很復雜，各構(gòu)件內(nèi)部加勁肋眾多，形式、尺寸多樣。在全橋空間有限元分析的基礎(chǔ)上，選取具有代表性的E60中桁節(jié)點和兩個最不利的主力組合工況，完成了局部精細有限元分析和1：3的縮尺模型試驗。結(jié)果表明，E60中桁節(jié)點各相關(guān)構(gòu)件絕大部分區(qū)域的應力水平不高，Mises等效應力小于200MPa，實測結(jié)果與有限元分析結(jié)果吻合較好。但在節(jié)點板與斜桿連接處的邊緣、節(jié)點板與下弦桿頂板、橫隔板等多板連接處的邊角處有應力集中現(xiàn)象，有限元分析的局部最大Mises等效應力超過200MPa，但都小于材料Q370qE的屈服應力。試驗所得的離有限元計算最高應力點2～4cm處的實測應力都遠小于有限元計算的最大應力值，表明邊角處的高應力范圍很小，很局部。這種新型全焊箱-桁組合節(jié)點結(jié)構(gòu)構(gòu)造合理，受力性能良好，安全，可以在滬通公鐵兩用長江大橋上應用。

最大跨度；公鐵兩用斜拉橋；新型全焊箱-桁組合節(jié)點；有限元分析；模型試驗

在建中的滬通公鐵兩用長江大橋主橋是當今世界上跨度最大的公鐵兩用斜拉橋，孔跨布置為：(142+462+1 092+462+142)=2 300m[1-3]。通行4線鐵路，6車道公路。下層鐵路橋面系是高2.2m的封閉式正交異性板鋼箱梁，與主桁相結(jié)合成整體結(jié)構(gòu)。在鋼箱梁內(nèi)和下弦桿內(nèi)每一主桁節(jié)點處設(shè)置一道橫隔板，又在每節(jié)間設(shè)置4道橫隔板。公路、鐵路橋面在承擔橋面荷載的同時也參與主梁整體受力。如圖1所示。

下層鐵路橋面主桁節(jié)點欲采用新型全焊箱-桁組合節(jié)點。這種節(jié)點外形簡潔，而內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復雜，在以往的橋梁上未曾應用[4-10]。節(jié)點板將主桁下弦桿、豎桿、斜桿、鐵路鋼箱梁頂、底板和橫隔板等焊連成一個整體。節(jié)點板向下延伸至鋼箱梁底板兼作下弦桿腹板；下弦桿內(nèi)與鋼箱梁橫隔板相對應的位置設(shè)有開孔橫隔板。鋼箱梁頂、底板、下弦桿腹板、橫隔板等都設(shè)有不同形狀和尺寸的加強肋，結(jié)構(gòu)構(gòu)造和受力狀態(tài)都很復雜，最大桿件軸力達50 000kN左右，遠大于公路橋面節(jié)點[11-13]。因此，對這種新型節(jié)點的受力狀態(tài)作研究，對結(jié)構(gòu)構(gòu)造的安全性、合理性作出評價很有必要。

E60節(jié)點是鐵路橋面中具有代表性的一個節(jié)點，位于主跨斜拉索M15主梁錨固點處的下弦節(jié)點，全橋布置和E60節(jié)點位置見圖1。因E60中桁節(jié)點受力都大于邊桁節(jié)點，所以本文以E60中桁節(jié)點為研究對象，對滬通公鐵兩用長江大橋新型全焊節(jié)點作受力狀態(tài)有限元分析和模型試驗。E60中桁節(jié)點結(jié)構(gòu)構(gòu)造見圖2(有限元模型)，鋼箱梁頂、底板厚24mm，橫梁腹板和下弦桿橫隔板厚16mm，其他主要構(gòu)件的形狀和尺寸見表1。

2　E60中桁節(jié)點的局部精細有限元分析方法

根據(jù)全橋空間有限元分析，E60中桁節(jié)點的相關(guān)桿件的桿端內(nèi)力比E60邊桁節(jié)點大，相關(guān)構(gòu)件數(shù)目也比邊桁節(jié)點多，所以選取中桁E60節(jié)點作進一步研究。

根據(jù)全橋空間有限元分析，選取如下兩個主力最不利組合工況，如表2中的黑體字所注：

工況1：(恒載+活載)左下弦桿軸壓最大工況；

工況2：(恒載+活載)斜桿軸拉最大工況。

上述兩個工況代表和涵蓋了中桁E60節(jié)點全部主力組合作用下的最不利工況。

mm

表2　E60中桁節(jié)點主要桿件主力最不利組合下的主要桿端內(nèi)力

對中桁E60節(jié)點相關(guān)桿件和周邊鐵路鋼箱梁截取足夠大的范圍，使用ANSYS軟件，全部采用SHELL63空間板殼元，考慮構(gòu)造細節(jié)，建立精細有限元模型，如圖3中(a)，(b)和(c)所示，其中(a)為整個中桁E60節(jié)點的局部有限元模型，(b)為模型中下弦桿內(nèi)部結(jié)構(gòu)放大圖，(c)為模型中鋼箱梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)放大圖。E60節(jié)點局部有限元模型共有13萬多個單元，13萬多節(jié)點，80多萬個自由度。

對上述每一工況，由全橋分析得到局部模型各構(gòu)件截斷處的位移，加到局部模型的邊界上。由于局部模型所有構(gòu)件都用空間板殼元劃分，網(wǎng)格很細，邊界上節(jié)點比全橋模型多得多，所以用下述方法稍作處理：對于豎桿、斜桿、左、右下弦桿、橫梁系桿件，全橋分析中得到的是各桿件形心處整體坐標系下的6個廣義位移，而局部模型中每個桿件的每一板件都劃分成許多板殼元，截面上的節(jié)點比整體模型多得多，將局部模型上述桿件的邊界上加上一塊厚鋼板，將其與桿件剛性連接，在其相對應桿件的形心處加上全橋分析中的6個廣義位移[14-15]。

對于局部模型鋼箱梁的周邊，將節(jié)點分為兩類，第一類是與全橋模型相對應的節(jié)點，在這些節(jié)點上可直接加上全橋模型計算所得的6個廣義位移；第二類節(jié)點是局部模型上有而全橋模型上沒有的節(jié)點，在這些節(jié)點上按第一類相鄰兩個節(jié)點的位移線性插值加上位移邊界條件。除加上位移邊界條件外，還要按容重和面荷載分別加上模型自重和二期恒載。

3　計算結(jié)果及分析

節(jié)點及其周邊各構(gòu)件基本上都處于復雜應力狀態(tài)，所以以Mises等效應力σe來評判各區(qū)域應力水平的高低。由彈性理論可知，X方向單向拉、壓狀態(tài)下，σe=σx；復雜應力狀態(tài)下σe=σy時材料屈服，σy為材料的屈服應力。

總體上說，E60中桁節(jié)點應力水平不高，絕大部分區(qū)域σe小于200MPa，只是在有些邊角處有應力集中現(xiàn)象，局部很小范圍σe超過了200MPa。由于結(jié)構(gòu)對稱和恒載及公路活載都對稱，只有鐵路活載略有不同，所以中桁兩側(cè)的應力都基本相同。

3.1節(jié)點板應力

圖4中(a)、(b)分別是節(jié)點板在工況1和工況2下的應力云圖。這2個工況下節(jié)點板的絕大部分區(qū)域應力分別小于160MPa和170MPa。但在與斜桿連接處節(jié)點板的左、右側(cè)曲線外緣上有應力集中現(xiàn)象，σe的最大值工況1發(fā)生在左側(cè)，σe= 243MPa，見圖4中的①；工況2發(fā)生在右側(cè)，σe= 279MPa，見圖4中的⑤。

(a) 節(jié)點有限元模型全貌；(b) 下弦桿內(nèi)部(c) 鐵路橋面鋼箱梁內(nèi)部圖3　E60中桁節(jié)點有限元模型Fig.3 FEM model of E60 middle truss joint

3.2下弦桿應力

下弦桿的頂、底板和腹板上的應力總體上都不大，絕大部分區(qū)域小于190MPa，只有在1，2和4三塊橫隔板上方下弦桿頂板上有應力集中現(xiàn)象，σe的最大值工況1和工況2分別發(fā)生在橫隔板4和橫隔板2上方下弦桿頂板的兩側(cè)角點上，分別為232和210MPa，見圖5(a)和5(b)中的②和⑥。

(a) 工況1； (b) 工況2圖4　節(jié)點板Mises的應力云圖Fig.4 Mises stress of the joint plate

(a) 工況1；(b) 工況2圖5　下弦桿頂板的應力云圖Fig.5 Mises stress of the top plate of the lower chord

下弦桿內(nèi)的橫隔板在上方下弦桿頂板的加勁肋通過的地方開了孔，這些孔邊有應力集中現(xiàn)象，σe超過了200MPa，σe的最大值發(fā)生在橫隔板3(節(jié)點中心處)上方兩側(cè)最外一個加勁肋通過的內(nèi)側(cè)孔邊，工況1和2分別為244和284MPa，其他區(qū)域都小于200MPa，見圖6(a)和6(b)中的③和⑦。

(a) 工況1；(b) 工況2圖6　下弦桿內(nèi)橫隔板3的的應力云圖Fig.6 Mises stress of the diaphragm plate 3 of the lower chord

3.3鐵路橋面系鋼箱梁應力

下弦桿兩側(cè)的鐵路橋面系鋼箱梁頂、底板、腹板、U肋和橫隔板的應力都不大，絕大部分區(qū)域都小于200MPa，但上游側(cè)鋼箱梁底板第二根U肋在穿過橫隔板3的開口處有應力集中現(xiàn)象，最大局部應力σe發(fā)生在工況1達到了217MPa，如圖7中④⑤所示。

3.4腹桿應力

豎桿和斜桿的總體應力都小于120MPa。但斜桿腹板底部兩側(cè)尖角處有應力集中現(xiàn)象，σe最大值發(fā)生在工況2達到了215MPa，見圖8中⑧。此處斜桿腹板與節(jié)點板焊連，兩側(cè)節(jié)點板充當腹桿的翼板。

圖7　鋼箱梁底板U肋的應力云圖Fig.6 Mises stress of the u-rib on the bottom plate of the steel box girder

圖8　斜桿的應力云圖Fig.8 Mises stress of the inclined bar

其他構(gòu)件如鋼箱梁橫隔板和頂板U肋、下弦桿內(nèi)的加勁肋等應力都不大，沒有超過200MPa的區(qū)域。因節(jié)點板周邊所有構(gòu)件鋼材為Q370qE，屈服應力σy= 370MPa，容許應力[σ]為220MPa，所以從有限元分析可知，所有構(gòu)件的應力都小于屈服應力，節(jié)點處于彈性受力狀態(tài)，而且絕大部分區(qū)域應力也小于材料的容許應力，只有在下弦桿內(nèi)橫隔板頂上兩側(cè)孔邊非常小的范圍稍微超過了容許應力，但還在彈性范圍。

4　試驗驗證

4.1試驗模型和試驗方法

對E60中桁節(jié)點設(shè)計制作了一個1∶3的縮尺試驗模型，模型的長，寬和高分別為4.58，2.70和1.98m，在模型的桿端都作了局部加強，在局部精細有限元分析中應力水平較高的區(qū)域都布上了應變花。試驗模型正向放置，豎桿向上，斜桿指向左上方。模型左端下弦桿兩側(cè)的鋼箱梁錨固在剪力墻上，豎桿、斜桿、左、右下弦桿及其兩側(cè)的鋼箱梁右端、鋼箱梁的橫梁上、下游側(cè)都按每一工況的設(shè)計值主動施加外力，鋼箱梁左端由剪力墻提供反力。由平衡原理可知，該反力一定與設(shè)計工況靜力等效。圖9為試驗模型安裝加載示意圖。

圖9　模型安裝和加載示意圖Fig.9 Schematic diagram of the model test

4.2測點實測應力和有限元結(jié)果對比

表3為試驗應變花實測數(shù)據(jù)換算出的Mises等效應力和測點中心(直角應變花三片交點)的局部精細有限元計算值。兩者吻合較好，而且所有測點的σe無論是實測值還是有限元計算值都小于200MPa。

4.3高應力區(qū)域附近的實測情況

上一節(jié)的有限元分析結(jié)果表明，在有些邊角處是有應力集中現(xiàn)象，σe有超過200MPa的。但這些區(qū)域都在板邊緣、焊縫處或多板相交的角落里，無法將應變花中心布在有限元分析應力最大值的點上，測點與該最高應力點有一定的距離，甚至無法布點。表4列出了這些有限元分析最高應力點附近的試驗情況。實測點中心離最高應力中心有2～4cm距離，而實測應力遠小于附近最高應力值。例如表5中工況1中的①與斜桿連接處的節(jié)點板左側(cè)曲線外緣，有限元計算得到的最大Mises等效應力為242MPa，該點與最近的測點ZX1的實測Mises等效應力為142.7MPa，比①的計算值小了許多。實測值與計算值是吻合的。這說明那些應力較高的區(qū)域范圍很小很局部，不影響各構(gòu)件的整體受力，同時也證明模型試驗主要看整體受力情況，邊角處的應力是無法測到的。

表3　中桁E60節(jié)點測點實測和有限元分析Mises等效應力σe

表4　高應力區(qū)域附近的實測與有限元分析Mises等效應力

注：附近實測點中的“距離”是指測點應變花的中心與有限元分析最高應力點的距離。

6　結(jié)論

1)E60中桁節(jié)點的節(jié)點板、各相關(guān)桿件和正交異性板鋼箱梁絕大部分區(qū)域的應力水平不高，Mises等效應力小于200MPa，實測結(jié)果與有限元分析結(jié)果吻合較好。

2) 在節(jié)點板與斜桿連接處的邊緣、節(jié)點板與下弦桿頂板、橫隔板等多板連接處的邊角處有應力集中現(xiàn)象，有限元分析的局部最大Mises等效應力超過200MPa，但都小于材料Q370qE的屈服應力。

3) 試驗所得的離有限元計算最高應力點2～4cm處的實測應力都遠小于有限元計算值，表明邊角處的高應力范圍很小，很局部。

4) 新型全焊箱-桁組合節(jié)點結(jié)構(gòu)構(gòu)造合理，受力性能良好，安全，可以在滬通公鐵兩用長江大橋上應用。

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Research on mechanical behavior of new type box girder-truss composite welded integral joints of Hutong Yangtze river rail-cum-road bridge

ZHANG Yezhi，LI Quan，ZHANG Xiaolong

(1.SchoolofCivilEngineering，CentralSouthUniversity，Changsha410075，China)

HutongYangtzeriverbridgeunderconstructionisarail-cum-roadcable-stayedbridgewiththelargestspanintheworld.Fourlinerailwaysandsixlanesarearrangedonthebridgeandthespanofthebridgeis142+462+1092+462+142 = 2300m. 2.2mheightclosedsteelorthotropicplateboxgirderisusedastherailwayfloorsystem.Anewtypeboxgirder-trusscompositeweldedintegraljointaretendedtobeadoptedasthelowermaintrussjoint.Usingtwoconnectingplatestherelevanttrussbarsandsteelorthotropicplateboxgirderoftherailwayfloorsystemareweldedasawhole.Theappearanceofthejointlooksconcisebuttheinternalstructureconstructionareverycomplex.Manystiffeningribsofvariouskindsandscalearearrangedinsideeverycomponents.Refinedfiniteelementanalysisand1:3reducedscalemodeltestwerecompletedfortherepresentativeE60middletrussjointandthetwoworstloadcasesofmainloadscombinationbasedon3Dfiniteelementanalysisofthewholebridge.TheresultsshowthatthestresslevelofmostareasoftherelevantcomponentsofE60middletrussjointarenothigh,andtheirMisesequivalentstressislessthan200MPa.Thetestresultsarewellcoincidedwiththatofthefiniteelementanalysis.Butstressconcentrationexistsatthejointplatesedgesconnectingwiththeinclinedwebmemberandatthemulti-plateconnectingcornerssuchasthejointplateconnectingwiththetopplateofthelowerchordandthediaphragmplates,wherethemaximumMisesequivalentstressisover200MPabutlessthantheyieldstressofQ370qEaccordingtotherefinedfiniteelementanalysis.Thetestedstressesofthetestingpointswhichareawaythefiniteelementmaximumstresspoint2to4cmarefarlessthanthatofthefiniteelementanalysis,whichshowsthatthehighstressareasareverysmallandlocal,andthestructureofthenewtypeweldedintegraljointsisreasonable,itsbehaviorisgoodandsafe,whichindicatesthatthisnewtypeofboxgirder-trusscompositeweldedintegraljointscanbeadoptedtoHutongYangtzeriverrail-cum-roadcable-stayedbridge.

largestspan;rail-cum-roadcable-stayedbridge;newtypeboxgirder-trusscompositeweldedintegraljoints;finiteelementanalysis;modeltest

2015-11-27

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃課題資助項目(2013G001-A-2)

張曄芝(1973-)，男，上海人，副教授，博士，從事橋梁工程與結(jié)構(gòu)工程教學與科研工作；E-mail:zhangyz824@163.com

U448.27

A

1672-7029(2016)07-1338-09