全焊接整體式節點腹板開孔形式應力影響分析

傅宇成

(西南交通大學，四川成都 610000)

1 鋼梁整體式節點

1995年，我國在孫口黃河大橋中首次采用整體焊接節點技術，但由于焊接的疲勞問題，采用了內插式的栓焊節點構造形式連接腹桿[1]，希望通過一定的螺栓連接保證節點連接的可靠性。隨后在國內鋼橋的整體式節點設計上普遍采用以螺栓連接為主，焊接連接為輔的栓焊連接形式連接腹桿[2]。雖然栓焊連接能部分避免焊縫所帶來的疲勞問題，但是栓焊連接形式連接腹桿由于螺栓的存在也有其弊端。一是橋上螺栓有可能松脫掉落到橋面上危及過往車輛與行人的安全；其次，螺栓群并不能均勻承受軸力[3]，在軸力作用下前排螺栓受力大，如果前排螺栓被剪斷后則會導致后排螺栓也被剪斷，最后腹板連接處的連接失效，使結構存在隱患；最后，螺栓的存在會使橋梁的外觀效果較差，這在城市橋梁中特別需要避免。因此，隨著國內鋼橋施工與設計水平的提高，必然存在著以焊接為腹板主要連接形式的整體式節點的發展趨勢[4]。

在鋼桁架結構設計中連接多根桿件的節點構造形式主要分為兩種：一種是各桿件單獨制造，在節點處通過較大的節點板與各根桿件通過焊縫連接從而形成整體，即普通節點。另一種構造形式是把節點單獨作為一個制造單元，然后各桿件與節點單元通過焊縫連接成為一體，即節點為單獨的整體式節點。

對比兩種形式，節點板構造需要較多而復雜的拼接板制造復雜，同時連接的整體性較以節點為單獨制造單元的整體式節點差，因此在節點構造形式的選擇上已趨向于采用整體式節點。

對于整體節點的節點板，張建民等[5]分析了不同節點板寬度(d)以及節點板圓弧半徑(R)與整體節點最大應力集中系數(Kmax)的關系；對于整體式節點腹桿與節點板的連接方式，喬晉飛等[6]通過實測資料研究了腹桿與節點板的連接，并得出整體節點及其它鋼結構設計細節中應貫徹大弧、緩坡等措施提高疲勞性能等結論。但對于腹板開孔形式對應力的影響，雖然在構造上已有一些普遍認識，但是在腹板與整體節點弦桿連接處開孔的必要性與開孔的形式仍然沒有細致的分析研究，因此本文通過有限元法建立節點試驗模型，分析在整體式節點的腹板連接處開孔的必要性，并通過對比不同的開孔形式,從而得出一種較合理的構造形式。

2 有限元模型

2.1 模型參數

考慮桁架結構主要受軸力影響，因此采用對稱的整體式節點，節點兩端采用多點鉸接約束，節點中設一豎桿，對豎桿頂端施加集中荷載，模型尺寸如圖1所示。

圖1 力學模型(單位：mm)

2.2 有限元模型

由于焊接殘余應力對整體式節點板的靜力強度沒有影響，而本文著重討論的是腹板與節點連接處開孔形式對應力的影響，因此沒有考慮焊縫應力的影響。有限元模型采用四面體實體單元。在整體式節點兩端面的所有節點上均約束了三個方向上的平動自由度，與試驗力學模型一致。

另外，在整體節點板與豎桿連接處應力狀態較為復雜，同時也是研究關注的地方，故對該處進行網格細分，在節點板過渡圓弧處為50等分，在腹板開孔處為200等分。其余地方按100 mm劃分，細分結果如圖2所示。

圖2 有限元模型

對于豎桿頂端受集中力作用處考慮實際為全截面均參與受力，故在豎桿頂端建立剛性連接單元，聯結端面所有節點到一個加載節點上，再把集中荷載施加到加載節點，從而模擬實際受力。

模型1為腹板與整體式節點連接不采取開孔，直接與節點弦桿上頂板相連；模型2至模型5為不同形式的開孔,分別為矩形孔、不設過渡直線的圓弧孔、與腹板翼緣相切的圓弧孔、設過渡直線的圓弧孔；模型5至模型10為現在使用較多的腹板開孔形式的不同徑寬比(R/d，其中R為開孔弧線的半徑，d為腹板寬度)的比較。以上開孔位置為距整體式節點弦桿頂板100 mm處開始，且整體式節點與豎桿的焊縫位置不變。

3 計算結果及分析

為了計算分析整體式節點與腹板連接處開孔的必要性及合理的開孔形式，依據上節有限元數值試驗模型的建立方法共建立了10個模型(表1)。

3.1 節點開孔必要性

加載后腹板應力狀態如圖3所示。集中力作用在豎桿截面上所引起的平均應力為11.166 MPa。由圖可以看出，力作用在豎桿頂端后沿豎桿向下傳遞，在豎桿高度1/2左右處力流開始向豎桿的翼緣移動，從而通過整體節點的側板傳遞支承處。而在豎桿腹板與節點弦桿上頂板相接處出現明顯的卸載現象，使得這部分腹板應力值為2.450 MPa左右，卸載率為78 %。因此，在腹板與整體式節點直接相連接的情況下，整體式節點在承受豎桿傳來的豎向荷載時，主要通過節點兩側板傳力，所以在腹板與整體式節點連接處采用開孔相連的方式，不但可以減少結構自重，而且可以使整體式節點傳力更加明確,這在結構設計中是有其必要性的。

圖3 模型1應力狀態

3.2 節點開孔形式對比

模型2至模型5加載后應力狀態見圖4。腹板底邊中點處應力值見表2。

表2 腹板底邊中點、邊緣應力值 MPa

圖4 模型2至模型5應力狀態

由圖4可知，在腹板底緣與整體式節點弦桿上頂板不再接觸后，在腹板底緣與節點側板相接處容易引起應力集中。

由圖4(a)可知，矩形開孔形式在腹板底緣仍然受一較均勻的應力值，數值接近11 MPa，與腹板平均應力11.166 MPa接近。同時，卸載區在底緣上方。

由圖4(b)可知，不設過渡線的圓弧開孔上出現交替應力，直線段與圓弧線相接處應力值接近0.1 MPa。同時，在圓弧中點處有一應力集中，數值比矩形開孔大。

由圖4(c)可知，與腹板翼緣相切的圓弧孔開孔形式的應力交替現象比不設過渡線的圓弧開孔大，但與節點側板相接處應力值較小。同時，在圓弧中點處有一應力集中，數值與范圍比不設過渡線的圓弧開孔大。

由圖4(d)可知，設過渡直線的圓弧孔較符合力向腹板兩側傳遞的趨勢，在直線段引起的應力值較小。但是其與節點側板相接處應力較其他開孔形式的大。

綜上所述，為避免節點底緣上的應力交替出現，使應力集中出現在多區域及卸載區出現于底緣上方，不便于開孔作業，因此模型5的開孔方式較其他開孔方式有力線傳遞順直，便于開孔的優點。

3.3 設過渡直線的圓弧孔徑寬比對比

模型10加載后應力狀況見圖5。模型5至模型9加載后應力狀態與模型10類似，為圖4(d)至圖5間變化。腹板中點處應力集中系數隨著徑寬比的變化情況如圖6所示。

圖5 模型10應力狀態

由圖6可知，腹板中點處應力集中系數隨著寬徑比的增大而減小，其減小程度一開始較大，隨后趨緩。然而隨著開孔圓弧半徑的增大，過渡直線段減短，圓弧與過渡直線段相切處附近出現較大應力值，使腹板開孔處出現交替應力。

圖6 腹板中點應力集中系數與徑寬比關系

因此，整體式節點腹板的開孔形式并不是寬徑比越大腹板應力集中系數就越小，其應當遵循著一個規律：在腹板寬度確定以后，腹板開弧半徑不應太大，以免影響豎向力流的傳力，從而引起除腹板中點外的應力過于集中，其較合理的徑寬比為0.4左右。

4 結論

本文針對整體式節點的腹板與節點弦桿上頂板連接處是否需要開孔以及開孔的形式進行了討論。其中，對于腹板是否開孔采用了建立腹板與頂板直接連接的有限元模型，從而分析其在該狀況下的應力狀態，考慮是否有不相接后的優化空間。對于腹板開孔形式，本文討論了兩個方面，一方面是通過建立有限元模型，對比分析了腹板開孔分別為矩形孔、不設過渡直線的圓弧孔、與腹板翼緣相切的圓弧孔、設過渡直線的圓弧孔，這四種開孔形式的特點；另一方面，通過對比分析設過渡直線的圓弧孔這一開孔形式的不同徑寬比下的應力狀態，找尋其隨著徑寬比變化的規律。本文的主要結論如下：

(1)整體式節點中，腹桿的腹板開孔有其必要性。其開孔后能使結構自重減少，同時使節點的傳力更加明確。

(2)在矩形孔、不設過渡直線的圓弧孔、與腹板翼緣相切的圓弧孔、設過渡直線的圓弧孔，這四種開孔形式中，設過渡直線的圓弧孔較符合豎向力力流的傳遞，通過設置合理的寬徑比與圓弧開孔到腹板底緣的距離可以達到只有圓弧中點有最大的應力集中，并且該應力集中不太大。

(3)設過渡直線的圓弧孔這一開孔形式的合理徑寬比為0.4。但為了降低腹板底緣與腹板翼緣相接處的應力集中現象，應結合與腹板翼緣相切的圓弧孔的開孔形式的優點，在該處相切倒弧再接過渡直線段，而不采用直線與腹板翼緣相接的形式。